Histoire de la chimie/Chimie précoce

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Lavoisier

Antoine Lavoisier, père de la chimie moderne

Antoine Laurent Lavoisier est né le 26 août 1743 à Paris et a été guillotiné le 8 mai 1794 à Paris.

Il a montré que la combustion est un processus qui implique la combinaison d'une substance avec du dioxygène. Le résultat de la calcination est une chaux (oxyde) moins de l’oxygène.

Lors de la combustion du phosphore dans l’air, Lavoisier constate la formation d’un gaz résiduel (l'azote) qu’il nomme mofette atmosphérique. Il établit que l’air atmosphérique est composé de 20 % d’oxygène et de 80 % de mofette (diazote).

Dans son expérience sur la décomposition de l’eau, il montre que c'est un corps simple composé d’air inflammable (dihydrogène) et de dioxygène. Avec ces résultats, il sera définitivement admis, en 1785, que ni l’air ni l’eau ne sont des éléments chimiques. Avec Guyton-Morveau, il définit de manière visionnaire une notion d'élément chimique, qui ne diffère essentiellement de la nôtre qu'en ce qu'elle inclut la lumière et le calorique.

Lavoisier est également le premier à insister de manière aussi nette sur la conservation de la masse lors d'une réaction chimique ( «Rien ne se perd, rien ne se crée !» ). Les travaux de Lavoisier sur les lois de la conservation de la masse contribueront à placer définitivement la chimie au rang d'une science.

Loi de Pressions Partielles et Loi de Proportions Multiples postulées par John Dalton (1801)

Loi de Pressions Partielles: Elle établit que la pression d'un mélange de gaz, qui ne réagissent pas chimiquement, est égale à la somme des pressions partielles qu'exerceraient chacun d'eux s'ils occupaient le volume tout entier, sans changer la température. Quand Dalton formula pour la première fois sa théorie atomique, peu avait été élaboré concernant la théorie sur la vaporisation de l'eau et le comportement des mélanges gazeux. À partir de ses mesures, il déduisit que deux gaz qui forment un mélange, agissent mutuellement de manière indépendante.
Loi des Proportions Multiples: Cette loi affirme que quand deux éléments se combinent pour former des composants différents, une quantité fixe donnée pour l'un, les différentes quantités de l'autre élément se combinant avec la dite quantité fixe pour produire les composant sont en rapports simples.

Naissance de la théorie atomique moderne

John Dalton

Dans les premières années du XIX^e siècle, John Dalton développa sa théorie atomique, dans laquelle il propose que chaque élément chimique est composé d'atomes égaux et exclusifs, et que bien qu’ils soient indivisibles et indestructibles, ils peuvent s'associer pour former des structures plus compliquées (les composés chimiques). La manière par laquelle Dalton parvint à cette théorie est quelque chose qui n’est pas très clair, mais ça lui servit pour expliquer certains mystères non résolus de la chimie que lui et ses contemporains étaient en train d'étudier. En effet, Lavoisier et Proust avaient déjà observé les lois suivantes:

- la loi de conservation des masses, formulée par Antoine Lavoisier en 1789, qui affirme que la masse totale dans une réaction chimique restait constante (soit, la masse des réactifs est égale à la masse des produits). Cette loi suggéra à Dalton l’idée que la matière était indestructible.
- la loi des proportions définies, énoncée par le chimiste français Joseph Louis Proust en 1799, qui affirme que, dans un composé, les éléments qui le composent se combinent en proportions de masses définies et caractéristiques du composé.

En 1803, Dalton publia sa première liste de poids atomiques relatifs à certaines quantités de substances (bien qu’il ne dit pas publiquement comment il obtint ses chiffres jusqu'en 1808). Dalton calcula les poids atomiques suivant les proportions de masses qui lui étaient associées, l'hydrogène étant l'unité de base. Cependant, Dalton n'avait pas eu l’idée que pour quelques éléments, les atomes s'unissent en formant des molécules - par exemple l'oxygène pure existe comme O₂. Aussi, il croyait, à tort, que le composé le plus simple entre deux éléments était toujours constitué d'un atome de chaque (ainsi, il croyait que la formule de l'eau était HO, et non H₂O). Cela, additionné à son matériel rudimentaire, a fait que sa table est peu précise.

Le chimiste italien Amadeo Avogadro corrigea le défaut de la théorie de Dalton en 1811. Avogadro avait proposé que les volumes égaux de deux gaz quels qu’ils soient, dans des conditions égales de pressions et de températures contenaient le même nombre de molécules (dit d'une autre manière, la masse des particules d'un gaz n'affecte pas son volume). La loi de Avogadro lui permit de déduire la nature diatomique de nombreux gaz, étudiant les volumes dans lesquelles ils réagissaient. Par exemple: le fait que deux litres d'hydrogène réagissent avec un litre d'oxygène pour produire deux litres de vapeur d'eau (à pression et température constantes), signifiait qu'une unique molécule d'oxygène se divisait en deux pour former deux particules d'eau. De cette façon, Avogadro pouvait calculer des estimations plus exactes de la masse atomique de l'oxygène et d'autres éléments, et établit la distinction entre les molécules et les atomes.

La table périodique et la découverte des éléments chimiques

D. Mendeleïev dans son cabinet

En 1860, les scientifiques avaient découverts plus de 60 éléments différents et avaient déterminé leurs masses atomiques. Ils notèrent que quelques éléments avaient des propriétés chimiques similaires, ils donnèrent donc un nom à chaque groupe d'éléments similaires. En 1829, le chimiste J.W. Döbenreiner organisa un système de classification d'éléments dans lequel ils étaient regroupés dans trois groupes dénommés triades. Les propriétés chimiques des éléments d'une triade étaient similaires et leur propriétés physiques variaient de manière ordonnées avec leur masse atomique. Quelques temps plus tard, le chimiste russe Dmitri Ivanovich Mendeleïev développa une table périodique des éléments suivant l’ordre croissant de leurs masses atomiques. Il plaça les éléments en colonnes verticales commençant par les plus légères, quand il arrivait à un élément qui avait des propriétés semblables à celles d'autres éléments, il commençait une autre colonne. Petit à petit, Mendeleïev perfectionna sa table accommodant les éléments en files horizontales. Son système lui permit de prédire avec assez d'exactitude les propriétés des éléments non découverts à ce moment. La grande ressemblance du germanium avec l'élément prévu par Mendeleïev fut suivi finalement par l'acceptation générale de ce système d'ordonnancement qui continue à être appliqué.

Cependant, la table de Mendeleïev n'était pas totalement correcte. Après que l’on découvrit plusieurs nouveaux éléments et que les masses purent être déterminés avec une meilleure exactitude, ce fut évident que certains éléments n'étaient pas dans le bon ordre. La cause de ce problème fut déterminée par le chimiste anglais Henry Moseley qui découvrit que les atomes de chaque éléments ont un nombre unique de protons dans leurs noyaux, le numéro atomique de l'atome étant égal au nombre de protons. En organisant les éléments en ordre ascendant de numéro atomique et non en ordre ascendant de masse atomique, comme l'avait fait Mendeleïev, il résolut les problèmes d'ordonnancement des éléments dans la table périodique. L'organisation que fit Moseley des éléments par numéro atomique généra un modèle périodique clair de propriétés.

Tableau périodique des éléments

Mouvement Brownien

Simulation du mouvement Brownien d'une grosse particule (en jaune) lors des collisions avec des molécules.

L'existence réelle des molécules a été mise en évidence par le mouvement brownien qu'observa pour la première fois, en 1827, le botaniste écossais Robert Brown, qui vérifia que les grains de pollen suspendus dans l'eau apparaissaient animés de mouvements irréguliers. Au début, on croyait que les grains de pollen étaient vivants; mais ce phénomène se manifesta aussi pour de petites particules de substances colorantes totalement inanimés.

En 1863, on suggéra pour la première fois qu'un tel mouvement serait du à un bombardement inégal des particules par les molécules d'eau voisines. Pour des objets macroscopiques, cela n'aurait pas d'importance qu’il y ait une petite inégalité entre le nombre de collisions par des molécules d'un côté ou de l'autre. Mais pour les objets microscopiques, bombardés peut être par seulement quelques centaines de molécules par seconde, un petit excès, d'un côté ou de l'autre, pourrait être la cause d'une agitation perceptible. Le mouvement hasardeux des petites particules constitue une preuve quasi visible du fait que l'eau et la matière en général sont constitués par des particules.

En 1905, Albert Einstein donne une description quantitative du mouvement brownien et indique notamment que des mesures faites sur le mouvement permettent d'en déduire leur dimension moléculaire. Jean Perrin réalise ce programme et publie en 1909 une valeur du nombre d'Avogadro, ce qui lui vaut un prix Nobel en 1926.