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Introduction à la chimie, petite histoire de la chimie

mercredi 9 avril 2014, par mathadonf

Ce cours ne prétend pas être un modèle d’exactitude mais plutôt le cheminement de la pensée au cours des âges sur ce qu’est la matière

I. Dans l’antiquité

Il faut se référer à Démocrite qui, le premier, a mis en avant la théorie atomiste. Atome veut dire en grec, insécable, qui ne peut pas être coupé. Démocrite a ainsi imaginé que la matière était constituée de particules indivisibles, très petites.

Cette théorie a eu du mal à se développer car d’autres philosophe comme Platon ont eux imaginé que la matière était constituée des quatre éléments : Eau, Air, Feu, Terre... Théorie qui s’est développé jusqu’au XVe XVIIe siècle... reprise par les alchimistes.

Si la théorie atomiste a eu tant de mal à être comprise c’est que cette théorie avait pour conséquence que la nature était pleine de VIDE. Hors dans l’antiquité une célèbre phrase était : "La nature (la matière) a horreur du vide"

En effet qu’y a-t-il entre les atomes : du Vide, Rien, Le néant.

II. Le siècle des lumières : Lavoisier et le XVIIIe siècle

Il a fallu attendre le XVIIIe siècle pour que la théorie atomiste soit à nouveau reprise et vérifiée par l’expérience.

Car il est bien une chose en science : toute théorie doit être vérifiée par l’expérience, une expérience reproductible et surtout la théorie doit pouvoir prévoir (prédire) les résultats d’une ou plusieurs observations (notion de contre-preuve).

Hors le "père" de la chimie Lavoisier (1743-1794) en étudiant l’eau et son hydrolyse a mis en évidence que l’eau était constitué de deux atomes l’oxygène et l’hydrogène avec l’hydrogène deux fois plus présent.

III De la physique à la chimie :

C’est en observant les trois états (gazeux, liquide, solide) que les premiers physiciens ont pu découvrir les différents constituants de la matière.

Pour une pression donnée (en général la pression atmosphérique dite normale de 1013 hPa) le changement d’un état dans un autre se fait à Température constante.

Exemple : l’eau bout (passe de l’état liquide à gazeux : vaporisation) à 100°C et la glace fond (passe de l’état solide à l’état liquide : fusion) à 0°C. Tant qu’il y a un glaçon dans de l’eau qui est à 0°C la température reste à 0°C.

Si un corps contient des impuretés son domaine de température où il est liquide est élargi. L’eau salée bout à 104-107°C et gèle à -4°C.

Pour certaine pression très basse (exemple en altitude) l’eau peut être liquide à des températures négatives. On appelle celà la surfusion, l’eau est alors surfondu. Un simple choc au sol et elle se transforme en glace : c’est ce qui se passe dans un brouillard givrant.

Il ne faut pas confondre la vaporisation de l’eau à 100°C et l’évaporation qui est une diffusion entre deux milieux à température ambiante. Mais énergétiquement c’est lié.

Liquide \longrightarrow Solide : solidification

Solide \longrightarrow Liquide : fusion

Liquide \longrightarrow Gaz : vaporisation

Gaz \longrightarrow Liquide : liquéfaction (parfois condensation)

Solide \longrightarrow Gaz : sublimation

Gaz \longrightarrow Solide : condensation

Ainsi les premiers chimistes à partir de cette donnée (un corps à une température de vaporisation ou de fusion constante pour une pression donnée) ont pu purifier la matière grâce à des distillations et ainsi commencer à nommer les différents constituants de la matière.

III.1 Notion de corps pur simple, corps composés, mélange :

Un corps pur c’est de la matière purifié, c’est à dire qui ne possède qu’une température de fusion et de vaporisation. En fait il est constitué d’un seul type de molécules (nous verrons la définition de la molécule plus tard)

Un corps pur simple est constitué d’un seul type d’atome : par exemple le dioxygène, le dihydrogène, le soufre.

Un corps pur composés est un corps pur dont les molécules sont constitués de plusieurs atomes différents : par exemple le dioxyde de carbone, l’eau...

Un mélange est constitué de plusieurs corps pur, il peut être distillé : par exemple le pétrole.

III.2 Le XIXe et XXe siècle et leurs découvertes :

C’est à la fin de XIXe et au début du XXe siècle que l’on a enfin compris la structure intime de l’atome, grâce à une meilleur compréhension de la notion de lumière en tant que champ électro-magnétique.

La première découverte a été celle de l’électron par J.J. Thomson lors de l’étude des rayonnement cathodique. Dans une ampoule en verre où un vide très poussé a été créé, on chauffe un filament. Des électrons sont émis et accélérés par un champ électrostatique. Apparait alors un arc lumineux dans le vide. Il est composé d’électrons.

La découverte du protons et du neutrons a été plus tardive en 1919 par Ernest Rutherford pour le proton et en 1932 par James Chadwick pour le neutrons....

La théorie quantique et le modèle standard a ensuite défini les particules sub-atomiques comme des fonctions d’ondes, particules se comportant comme la lumière mais possédant une masse alors que les photons constituants la lumière n’ont pas de masse.

C’est ainsi que tout atome excité (par de la chaleur ou de la lumière) émet quand son cortège électronique revient à l’état de repos, un spectre lumineux qui lui est caractéristique. C’est ainsi que l’on peut déterminer à distance la composition des étoiles.

IV. L’atome :

Définition de l’atome : c’est la plus petite partie stable et insécable (indivisible) de la matière. Il en existe qu’un nombre fini et pourtant ils peuvent créer l’infini variété du monde qui nous entoure. Ils sont comme des briques que la Nature agence à son gré.

L’atome est en fait constitué de 3 particules : Les protons portant une charge positive, les neutrons (neutre) : ils forment les nucléons, le noyau de l’atome. Et la troisième particule : l’électron 1835 fois moins lourd que le proton ou le neutron et qui gravite autour du noyau.

Pour la suite du cours voir l’article suivant du site mathadonf
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