2011, année de la Chimie

2011 année internationale de la chimie. ARTE en mai, proposait 3 émissions avec pour titre "Les secrets de la matière" liens en fin d'article) pour remonter le temps des pionniers de la Chimie (*).

Parlons-en de la chimie comme se le propose le CNRS.

Son histoire est très vieille et jeune, à la fois. En fait, de la chimie, on en fait comme Monsieur Jourdain parlait en prose, sans le savoir. Tout ce qui nous entoure, nous même, sont constitués d'éléments chimiques.

Égypte, Chine, Inde, Grèce, Rome ont fait partie de la préhistoire de la Chimie dans l'histoire des éléments chimiques. L'or était la peau des Dieux pour les Égyptiens, la sueur du soleil pour les Incas.

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Histoire de la Chimie

Les Grecs connaissaient le Plomb (Pb 82), l'Argent (Ag 47), l'Or (Au 79), le Mercure (Hg 80), l'Etain (Sn 50) comme "métaux".

L'alchimie, née à Alexandrie, transite dans les textes arabes, pour être traduite en Europe au Moyen-Age. Convertir le plomb en or avec une pierre philosophale, a toujours été un rêve. Les alchimistes y ajoutent le mystère, le secret dans un langage voulu ésotérique. L'or était un élément spirituel, magique, médicinal. Les métaux trouvent une communion avec les astres (Soleil - l'or, Mercure - le mercure, Vénus - le cuivre, la Lune - l'argent, Mars - le fer, Jupiter - l'étain, Saturne - le plomb).

L'évolution de la science chimique entre en sommeil pendant plus de mille ans jusqu'au début du 18ème siècle.

Georg Bauer dit Agricola, fonde la chimie métallurgique en définissant les alliages de métaux et en écrivant en 1546, "De natura fossilium". Avant cela, on ne connaissait rien du comment le monde est fait si ce n'est que l'eau, l'air, le feu et la terre étaient les éléments constitutifs de l'Univers.

En 1669, Georg Brandt a eu une idée. Comme l'urine est jaune, que le corps humain contient toutes les substances comme un microcosme de l'Univers, il se pourrait qu'il y ai de l'or dans l'urine. Au lieu d'extraire de l'or, c'est du Phosphore (P 15) qu'il obtient. Élément qui fume au contact de l'air mais qui ne brille pas sous les feux de la lumière mais reste visible dans l’obscurité. Il le baptise "Noctiluca", "lumière nocturne". Le feu est considéré comme un principe de la phlogistique qui dit que le bois brûle par la force de la chaleur en dégageant des phlogistons. Ce dérapage de la science va perdurer longtemps.

En 1675, Nicolas Lémery définit dans un traité, les vitriols, les bases et les sels dans une nature divisée entre minéraux, végétaux et animaux.

En 1677, Robert Boyle crée la véritable "science chimique". Avec du Phosphore (P 15) et du Soufre (S 16), il constate pouvoir obtenir le feu sur commande. Les allumettes sont nées t avec elles, la possibilité de reproduire à loisir. Boyle écrit le premier livre de chimie "Le chimiste sceptique" avec, en toile de fond, les réactions rationnelles et scientifiques.

Le riche érudit, Henry Cavendish, trouve un gaz inflammable, explosif, en plongant du zinc dans de l'acide: l'Hydrogène (H 1), Le gaz le plus léger et l'élément le plus abondant dans l'Univers. Composant de l'eau, car, enflammé, il donne de l'humidité. Pourtant il ne s'en rend pas compte.

Pour l'heure, cela fait déjà 19 éléments connus.

Le pasteur Joseph Pristley s'intéresse à un autre gaz, le CO2. Gaz de brasserie, non visible, qui en sortant des cuves prend la tangente en s'affaissant, plus lourd que l'air. En 1774, l'oxyde de Mercure permet de découvrir l'autre atome le plus répandu, l'Oxygène (O 8). Une rencontre de Pristley avec le riche, Antoine Lavoisier va permettre de démystifier cette phlogistique. L'Oxygène, le 3ème élément le plus répandu faisant partie de l'air ambiant, il permet de déphlogistifié les connaissances car l'oxygène de l'air  est nécessaire à toutes combustions des matériaux inflammables. 

Les gaz, les non métaux, les métaux et les terres qui ne peuvent être décomposés par une réaction chimique sont reconnus comme des éléments.

Désormais, on passe à 33 éléments connus, avec quelques erreurs, mais le progrès est notable par l'approche empirique.

Humphry Davy a l'idée d'introduire l'électricité, en plus du feu, comme outil pour dissocier la potasse. Il découvre le Potassium (K 19), autre explosif. La réaction chimique engendre du Potassium et, en plus, restitue de l'électricité. Le Potassium s'enflamme au contact de l'eau. Un nouveau cap, 55 éléments, connus à sa mort.

John Dalton découvre que les éléments se combinent dans les mêmes proportions avec des atomes différents qui ont tous un poids atomique propre. Peser la matière, c'est Jon Jacob Berzelius qui s'y intéresse.

La triade des éléments de Lithium (Li 3), du Sodium (Na 11), du Potassium (K 19) ont des similitudes en dégageant de l'hydrogène. On leur associe une même famille.

Calizaro essaye de trouver un moyen fiable de percer les secrets des atomes.

En 1796, Smithson Tennant brûle le diamant, que l'on sait contenir du Carbone comme le graphite. Il va comprendre le secret de leurs différences. Les diamants ne sont, de fait, plus éternels!

John Newland associe les éléments par huit comme dans des octaves musicales.

En 1869, Dmitri Mendeleev a l'idée de les réunir poids et propriétés des éléments, par famille, pour les 63 éléments déjà connus dans une table qui porte son nom. Les alcalins à gauche et les halogènes à droite, les métaux au centre.

Si des espaces restent vides, il a confiance de les combler dans l'avenir.

Robert Bunzen et Kirshov remarquent les couleurs uniques de chaque élément sous la flamme.

En 1875, le Gallium (Ga 31) est ainsi découvert par Paul_Emile_Lecoq_de_Boisbaudran.

Qu'est-ce qui rend une réaction lente ou rapide? Pourquoi certains sont volatiles? Les questions restent entières.

En 1909, Ernest Rutherford y répond en donnant la structure de l'atome. Protons dans le noyau et électrons qui gravitent autout de lui.

Niels Bohr perfectionne l'idée et découvre que les électrons gravitent sur des orbites différentes avec un maximum d'électrons qui augmentent, au fur et à mesure de leur éloignement du noyau (2, 8, 18, ...). Les dernières orbites cherchent à rendre l'élément plus stable et tentent ainsi de s'associer. L'union fait la force, en quelques sortes, mais sans exagérer le processus.

Henry Mozeley associe le spectre d'énergie aux éléments. Le nombre de protons donne son numéro atomique, non son poids total, à l'élément de l'Hydrogène à l'Uranium.

L'échantillon complet des éléments naturels de la matière sont au nombre de 92. L'étape suivante est d'en créer, artificiellement à partir d'un existant.

Justus von Lidish et Fredrich Vöeler vont croiser le fer avec leurs expériences.

L'Argent, le Carbone, l'Azote et l'Oxygène réunis ne peuvent qu'être explosifs pour le premier. Pas pour le second. Tous les deux avaient raison. Car, explosifs, ils ne le sont pas toujours. La découverte des isomères va l'expliquer. Les réactions sont dépendantes de la manière dont on assemble les éléments. La valence explique la fusion des atomes. c'est le nombre maximal d'atomes d'un élément univalent avec lesquels un atome de cet élément peut s'associer pour devenir plus stable électriquement.

La valence d'un atome dans le cadre d'une molécule ou d'un ion est le nombre de liaisons covalentes que cet atome a formé. La valence d'un ion monoatomique en solution, est sa charge, on parle alors d'électrovalence. Tout est donc un problème de stabilité recherchée par les atomes par l'intermédiaire de leurs potentiels électriques.

Archibald Scott Couper comprend comment les atomes sont reliés entre eux par des liaisons chimiques en chaînes continues. Dans le même temps, Friedrich Kekulé arrive aux mêmes conclusions et prend de vitesse, son "alter ego" et récolte les honneurs de la découverte. La désillusion de Couper l'entrainera dans la déchéance.

La chimie industrielle est née avec le Carbone (C 6) comme point positif. On l'appelle, chimie organique. Elle s'attache à la tâche de construire des molécules de plus en plus grosses avec du Carbone associé à d'autres atomes.

Les plastics, la bakélite, les fibres en nylon vont révolutionner l'industrie. Wallace Carothers, invente les bas de nylon qui vont faire fureur. Mais il souffre de dépression. Après avoir déposé le brevet du nylon, il se suicide, en avalant du Cyanure de Potassium.

Les chercheurs vont progressivement s'intéresser aux éléments radioactifs. La physique entre en communion avec la chimie.

En 1896, Henri Beckerel découvre la radioactivité naturelle.

Ernest Rutherford remarque que si les atomes changent ses propriétés par désintégration en éjectant des particules nommées alpha. Les atomes ne sont pas immuables comme on le pensait jusque là. Les protons (+), et les électrons (-) qui tournent autour, devient la représentation reconnue. L'identité d'un atome change par ses pertes de particules alpha, par transmutation. La mutation de l’Azote (N 7)  en Oxygène se produit par cet intermédiaire.

En 1932, James Chadwick découvre que si les atomes comportent des protons de charge positive, il existe aussi des neutrons qui ne sont pas chargés électriquement dans le noyau de l'atome.

En 1934, Enrico Fermi se rend compte qu'en bombardant les atomes lourds avec des neutrons qui ne génèrent aucune répulsion électrique, il peut créer d'autres éléments plus lourds que l'Uranium (U 92).

En 1938, Otto Hahn, Lise Meitner et Otto Frish parviennent au stade de la fission nucléaire artificielle en créant une énergie colossale par une chaine de réactions instantanées.

Cette découverte intéresse les militaires et nous sommes en temps de guerre. Le projet Manhattan est à l'origine de la bombe. Bombarder un Uranium avec un neutron qui éjecte d'autres neutrons dans une réaction en chaîne. Perte de masse contraire à la loi de Lavoisier mais qui s'explique par la célèbre formule d'Einstein, E=MC2. La masse disparue est transformée en énergie dans une parfaite équivalence.

En 1940, Mc Millan crée l'élément 93, le Neptunium (Np 93).

En 1941, c'est au tour du tristement célèbre Plutonium (Pu 94). 

Un des derniers éléments, le 112ème, le Copernicium (Cn 112) est créé à partir de Zinc (Zn 30), lancé sur une cible de Plomb. Dépassé, à son tour, pour arriver, plus récemment, à la synthèse de 3 atomes de Ununoctium (Uuo 118) de l'isotope 294.

Aucun  élément chimique de numéro atomique supérieur à 82 (Plomb) ne possède plus d'isotope stable³⁰. Tous les éléments de numéro atomique supérieur à 101 (Mendélévium) ont, en plus, une période radioactive inférieure à la journée.

Le cyclotron, inventé par Ernest Lawrence, en 1931, à Berkeley, est une machine à bombarder la matière pour aller toujours plus loin. Elle atteignait la puissance de 80keV.

Le synchrotron arrive en 1946. Le LHC atteint 35TeV, aujourd'hui et le SV de juillet s'inquiète d'avoir atteint une limite avec lui. Les chances de fusions des atomes encore plus lourds, deviennent pourtant de plus en plus minces. L'instabilité des éléments ne donne plus qu'une durée de vie de quelques secondes. Les nouveaux nés ne sont plus décelés que par leurs traces.

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Revenir à l'atome d'Hydrogène, le plus simple, le plus abondant, pourrait devenir de plus en plus nécessaire pour recréer l'énergie du Soleil sur Terre. Autre histoire, qui a débuté et qui démontre une difficulté d'une autre ampleur. La nanotechnologie est un autre moyen d'aborder la matière. On en parle, cette fois, du bout des lèvres. J'y reviendrai certainement.

Les éléments, une histoire de familles avec des hauts et des bas, des chaines de gauches et de droites, actives ou radioactives. 

Un vent d'optimisme souffle sur la chimie. L'histoire de l'Univers est en marche. La saga continue, parfois en pénurie de rêves.

Je ne sais si vous êtes comme moi, j'aime garder le mystère dans la Science. De voir de la magie, les miracles de la Chimie, avec de nouvelles couleurs éclatantes qui apparaissent en mélangeant les éléments entre eux, c'est ce qui a dû m'attirer dans ma jeunesse. 

Je commence à comprendre que les alchimistes effrayaient, tout en gardant une certaine aura parmi les foules. Les chimistes d'aujourd'hui ont perdu cet aspect "merveilleux" du magicien. Voir cette magie, longtemps, et pas uniquement, l'espace de quelques secondes, n'est-ce pas la meilleure manière d'en profiter? Sans ce délais, ça perd un peu de son charme, à mon avis.

Comme le CNRS l'écrivait: "La chimie se trouve tantôt conspuée et rendue responsable de tous les maux, tantôt portée aux nues comme l’alliée bienfaitrice de notre quotidien. Santé, alimentation, loisirs, mais aussi pollution, accidents industriels ou domestiques… Le chimiste n’en est pas moins épargné, qu’il soit chercheur ou industriel. Responsable oui, coupable non, le chimiste, ce véritable artisan de la matière est sans doute le plus interdisciplinaire des scientifiques. Qu’il se pique d’éthique, de philosophie ou de pédagogie, il redoublera toujours d’astuces pour redorer l’image sans cesse écornée de cette discipline séculaire ! Et il le fera d’autant mieux qu’il s’accompagnera de ses collègues scientifiques dans un élan d’interdisciplinarité pour apporter des éléments de réponse aux questionnements sociétaux.

A la base, un savoir faire. Bien sûr.

Qui ou quoi arrêterait le chimiste, sinon l'abandon de poste des éléments?

Je ne parle pas uniquement des éléments de matière, bien entendu.

 

 

L'enfoiré,

 

(*) Les éléments sont cités dans l'article, suivis de leur symbole et de leur numéro atomique.

 

Citations:

• « Il est bien difficile de croire que tant de merveilles, tant d'ingéniosité dans le monde soient l'effet du hasard et de la chimie seulement»., René Barjavel

• « Les merveilleuses découvertes de la chimie sont surpassées peut-être par la confiserie. Jadis toute drogue avait un goût particulier ; aujourd'hui, c'est le contraire. », Alexandre Pothey

2/12/2018: L'hélium, un élément très simple et pourtant un gaz à tout faire:
31/1/2021: Pasquale Nardone parle des neutrons qui disparaissent en les extrayant de l'atome