je dis toujours la vérité, pas toute, parce que toute la dire

on n'y arrive pas, les mots y manquent.

C'est même par cet impossible, que la vérité tient au réel.

J. LACAN
 
 

J'en attends que les étudiants soient moins déçus par un quotidien loin, très loin, de la vision idyllique et/ou catastrophiste que les médias donnent des scientifiques, de leurs certitudes d'experts, et des "vérités" qu'ils doivent prodiguer tout azimut. Qu'ils soient plus près d'une réalité à la fois assez solidement établie, mais combien hasardeuse dès qu'approchent les limites du connu. Qu'ils acceptent qu'un langage spécifique soit nécessaire à la précision des concepts. Qu'ils admettent qu'un raisonnement logique et mathématique est le seul rempart contre une erreur. Et que la précision infinie n'existant pas, l'inconnu est toujours là même dans la zone la plus explorée du monde réel.
 

Tout le monde sait, ou croit savoir, que les savants travaillent dans des labos, font de lointaines expéditions, loin au fond des océans et dans l'espace. Que des "génies" découvrent de fabuleux secrets qui changent la face du monde. L'Histoire, celle des sciences en particulier, ne montre pas les mêmes vérités. Un scientifique après avoir beaucoup appris dans des livres, dans les publications de ses prédecesseurs, critique, refait leurs travaux et invente une nouvelle manipulation dont il attend par avance un résultat confirmant ses idées. Selon que son attente est satisfaite  ou déçue, il invent de nouveaux tests. Après discussion et échange au niveau du laboratoire, d'un mini congrès ou séminaire, il publie ses résultats et leur interprétation et la boucle étant bouclée, de publication en publication l'ensemble des connaissances lentement progresse.
Il faut admettre que le principal de la science se trouve plutôt dans les livres, articles et manuels plutôt qu'en tout autre endroit. La Science relève donc du Discours. C'est à partir de cette proposition que je vous soumets, que j'envisage de faire un petit tour avec vous dans le monde de la Chimie.

Si vous voulez bien me suivre dans cette direction, nous ferons une première halte  sur la question de la connaissance?

En effet l'animal doit pour vivre trouver sa nourriture, pour survivre fuir après avoir identifié un danger et pour se reproduire (vivre en tant qu'espèce) trouver et reconnaître son (ou sa ) partenaire. "L'existence animale dépend de l'environnement mais aussi de la connaissance de cet environnement." Il faut identifier la nourriture, le sans intérêt, et le poison. Classer, parmi toutes les informations perçues par les sens, ce qui sera consommable et agir pour se le procurer. L'action et la connaissance sont liées. Tout progrès de la connaissance profite à l'action, mais l'action n'est pas toujours simple et immédiate (réflexe). Il faut développer des stratégies d'action et faire un calcul, qui mémorisé devient à son tour connaissance. Donc toute action profite à la connaissance (second sens du mot expérience).

Il y a dans l'animal défini par ses sens, son cerveau (et tout le système nerveux) et ses membres, une inter activité permanente.

Et à l'intérieur de son cerveau un inter activité connaissance action mettant en jeu la sensibilité, l'affectivité, la mémoire de l'échec et du succès etc. Ceci, je le souligne, est une nécessité de la vie animale, (sauf quelques parasites ) notamment chez tous les mammifères.(voir  l'extrait de J. MONOD)

Le cerveau joue ici un rôle majeur, et son développement chez l'homme est quelque chose d'extraordinaire. 30.10 9 neurones et 10 14 à 1015 synapses. Il est situé à l'intérieur d'une boite solide et bien protégée de l'extérieur, mais aussi reliée à l'extérieur par des outils sensoriels, qui perçoivent des stimuli de différentes natures, en nombre limité.

Stimuli chimiques (odorat , goût )

mécaniques (toucher, ouïe)

lumineux (vue).

Mais tout n'a pas un goût, ou une odeur. Le toucher est paralysé par le froid et détruit par le chaud. L'ouïe est limitée entre 16 et 16000 hertz. La vue ne s'exerce qu'entre le rouge et le violet, dans un domaine restreint en puissance (éblouissement, vision nocturne). Le monde extérieur perceptible est une fraction de ce que, à ce jour, on a pu en découvrir. Nous sommes insensibles aux champs magnétiques ou électriques, aux neutrons, aux rayons X, aux ondes hertziennes.(On lira, avec surprise peut être, les textes récents relatifs à la masse cachée de l'univers).

Le monde extérieur est de plus, dans le domaine perceptible, un bruit de stimuli, avec des différences, des variations régulières ou aléatoires, des similitudes , des constances.

Ces variations/constances sont perçues, codées transmises au cerveau, qui recalcule cette information brute sous forme d'une représentation, qui est l'émergence d'un processus global.

Avant de développer cette dernière notion, considérons ce qui fait l'homme différent de l'animal. L'homme possède un cerveau conséquent, des mains et un langage articulé complexe. Alors que le membre animal permet la fuite (pattes) ou l'attaque (griffes et dents), l'homme peut avec ses mains se doter d'un abri et d'un outil. Les cris animaux permettent de communiquer la proximité d'un danger, le désir sexuel, la présence de nourriture. l'Homme peut communiquer la nature du danger sa localisation, la nature , la qualité, la quantité, la proximité de la nourriture, pour le désir la différence est moins simple. L'animal, surtout s'il n'a aucune organisation sociale, doit en permanence agir et calculer de façon simultanée. Chez l'homme l'organisation en groupe, puis l'abri et l'outil, permettent de dissocier dans le temps ces deux activités. De là va naître une fonction supplémentaire du cerveau, qui pendant le temps libéré, à l'abri, va aller au-delà du simple calcul, par l'élaboration de ses stratégies d'action, leur comparaison, compléter ses représentations de l'univers et pouvoir se livrer à une pensée spéculative non liée à l'action immédiate.

L'évolution de la cueillette à des fins de consommation immédiate vers la constitution de réserves (séchage), la conservation des ces réserves (silos), puis la reconstitution du cycle de reproduction des plantes (culture), stockage de semences, semis, entretien des champs, récolte, consommation, stockage de nourriture, mise de côté de nouvelles semences, va de plus en plus dissocier l'activité cérébrale immédiate de l'activité cérébrale à des fins de prévoyance ou de simple plaisir. Même évolution depuis la chasse jusqu'au supermarché.

Protégé par son abri, libéré par ses outils, avec ses champs, ses troupeaux, il peut cogiter à d'autres stratégies, affiner sa représentation du monde, en développant de nouvelles catégories et schémas de pensée, inventer des règles, observer des corrélations entre ces différentes catégories en tirer d'autres règles nouvelles.

Les groupes d'hommes vont par leur langage se communiquer les méthodes de cueillettes, de culture, de chasse, des recettes de cuisine, de construction, de fabrication et par la même se forger un langage plus complexe, plus abstrait, plus précis. Le groupe lui même est objet de cette démarche, par l'organisation des actions (division du travail) et la redistribution des biens.

L'évolution ou progrès résultant de ce mécanisme donnera les différentes civilisations ou cultures, d'où va émerger un jour en un lieu particulier ce que nous nommons Science.

Ce discours vise à être:

-cohérent, c'est à dire ne possédant pas de contradiction interne et par là explicatif, en ce qu'il va relier de façon logique des comportements apparemment indépendants, de l'objet d'étude.

-universel, il doit pouvoir être compris partout de tous ceux qui le désirent, et tend à expliquer la totalité/globalité de son domaine.

-conforme au réel, ses propos doivent être en accord avec les observations (expérimental), ou bien ses prédictions sont vraies car opératoires.

Tout ceci différencie la science de la TECHNIQUE . Cette dernière est une activité inhérente à la vie de l'homme en groupe, dès qu'il eût inventé un outil, donc très antérieure à la démarche scientifique telle que nous la connaissons. La technique n'est pas un unique discours cohérent, mais un ensemble de recettes efficaces, car opératoires, visant un but précis.(Technique: n.f. Ensemble des procédés et des méthodes d'un art, d'un métier, d'une industrie. définition du Larousse.). Les techniques ne sont pas classées par domaine de connaissances mais par leur finalité, à savoir le besoin qu'elles satisfont. Agriculture, élevage, (besoin alimentaire), habillement, construction, bijouterie, chauffage, etc. Ce n'est que récemment qu'en se diversifiant elle se sont classées par type de travail. Leur domaine n'est plus alors qu'une partie du domaine de la, ou des sciences, les concernant. Métallurgie, explosifs (armes), verrerie, parfumerie, pharmacie, papeteries etc. se partageaient le domaine de la chimie bien avant qu'elle n'existe. La Technique est universelle (efficace partout) mais ne se communique pas, le secret étant souvent une règle. Elle se perpétue par des initiés en nombre restreint (corporation, brevets). Elle est comme la science conforme au réel, mais ne tente pas d'expliquer ou d'interpréter autrement que par ses finalités (ça marche). Enfin elle ne prétend atteindre aucune cohérence universelle.

La technique est tout aussi inventive que la science et une inter activité intense les relient depuis les fontainiers de Florence et GALILÉE, jusqu'à aujourd'hui. La technique a fourni la matière d'une partie de la recherche scientifique. La science en lui livrant ses résultats a développé les techniques existantes et en a favorisé la création de nouvelles, (Electronique, informatique etc.).En interprétant et expliquant les procédés techniques la science accroît son propre universalisme et renforce l'efficacité de la technique. Il reste néanmoins que leurs finalités sont essentiellement différentes.
 

La matière possède une série de caractéristiques propres, masse, taille, couleur, magnétisme etc. qui sont le fruit de relations entre différents groupes de matière: La masse est le rapport entre une masse donnée et un étalon, la taille aussi, le magnétisme est une interaction entre deux corps, de même que le poids. La science de la matière relevant de ce domaine est la PHYSIQUE, du nom d'un ouvrage d'ARISTOTE (381-322 av. J.C.). La nature de cette matière, le fait que le cuivre est différent du fer, est restée longtemps mystérieuse et a été traitée à part dans la CHIMIE. Cette division est aujourd'hui discutable depuis qu'on a trouvé les lois physiques de la constitution de l'atome justifiant cette différence.

La matière étudiée par les chimistes n'est pas vivante, celle-ci relevant de la biologie. Là encore depuis la biologie moléculaire la division persiste mais est difficile à cerner. Il reste que la transmutation des éléments a été réalisée, alors qu'aucune synthèse du vivant n'est encore possible.

La tendance de la science à s'unifier a pour corollaire une explosion des connaissances entraînant une spécialisation des scientifiques, donc une division et une plus grande difficulté de communication.

Si la science est un discours, cela implique la nécessité d'un langage, donc de mots et d'une grammaire.

Au 16° et 17° siècle un bouleversement survient en Europe avec une remise en cause des idées reçues, Protestantisme Renaissance, et le développement des techniques et de l'expérimentation. La référence au réel s'impose en tant que seul critère de la science.

Ce que nous savons de la REPRÉSENTATION n'en demeure pas moins. Le discours, n'est pas le réel, mais une création de notre système nerveux, destinée à permettre la survie dans ce réel. Le langage autorise l'échange des représentations entre individus par le moyen du système sensoriel, mais ne change pas la nature purement imaginaire de la représentation. Le seul lien entre le réel et le cerveau réside dans l'action et la sensibilité. L'expérimentation est cette action exercée sur le réel et les perturbations ainsi provoquées sont récupérées par nos sens, afin d'être interprétées.

Les concepts et catégories n'ont pas d'existence hors de cette boucle d'interaction. On notera en passant la profusion d'outils scientifiques destinés à convertir en sensations perceptibles ce qui n'est pas accessible directement.

La matière est une notion ancienne tellement générale que sa définition est impossible sans déclencher des passions relative à la relation de la matière et de l'esprit. On sort totalement de cette problèmatique dès qu'on admet que la "matière" est la représentation que notre système nerveux donne de nos sensations quand elle perçoivent les stimulis de ce qu'on apelle la matière.

Mais pour un simple observateur de la nature, la matière que je trouve est difficile à caractériser, parfois solide, parfois liquide, granulaire ou monolithique. Les échantillons de matière que je trouve ne présentent ni constante, ni stabilité, sauf si je tombe sur un bel échantillon d'or pur.  Alors je constate que cet or est le même que celui qui a été trouvé très loin d'ici. L'aspect est différent mais une fois fondu et légèrement poli, il aura la même brillance, le même poids, la même dureté et je pourrais en faire une référence, voir un étalon monétaire. A part les produits de la vie, les coquillages, les différents bois, il est rare que la matière inerte soit aussi identique dans le temps et l'espace. L'eau pure des glaciers ou des ruisseau de montagne et quelques roches présentent les même stabilités. C'est ainsi que j'aurai tendance à qualifier de pur certains corps et de mélange le reste de la matière. Comment ce concept devient un concept scientifique.

Considérons un concept simple comme celui de corps pur. Une formation lycéenne, fortement teintée de logique, amènera à dire "un corps simple est composé de molécules identiques". Or ceci ne fait que déplacer la question du corps pur à la molécule. De plus, on remarquera que la notion de molécule implique la connaissance de la théorie atomique historiquement postérieure, et nullement nécessaire. Cette définition est la définition d'une axiomatique que pourrait être la chimie si c'était une axiomatique, et non une science expérimentale. Elle ne permet aucune vérification expérimentale de sa pertinence, car il n'est pas possible de voir les molécules et encore moins de les comparer toutes une à une.

Une seconde définition plus expérimentale peut être donnée: "Un corps pur est un ensemble de matière qui répond aux critères de pureté."

Il faut ajouter évidement la liste des critères de pureté: homogénéité, stabilité des températures de changement d'état etc.

Cette définition est vérifiable, n'implique pas de notion nouvelle, inconnue à l'époque où on a introduit la catégorie du corps pur, mais paraît hors du temps. Il est incompréhensible que des composés (l'eau, l'air, l'hydrogène) soient passés de la situation de corps pur à celle de mélange au cours du temps, à moins d'inadaptation du concept, ou d'erreur de mesure. Elle donne une impression de certitude et d'éternité en contradiction avec le vécu du progrès scientifique.

Enfin on ne sait pas comment obtenir un corps pur

Une autre approche s'impose donc. On peut définir le corps pur par rapport au mélange comme contraires, et déterminer leur relation par des opérations (actions) réalisables.

On passe du corps pur au mélange par un mélange (opération)

On passe du mélange au corps pur par une analyse immédiate (opération)

Les opérations d'analyse immédiate sont décrites (recristallisation, distillation, lyophilisation, Spectrographie de masse etc.)

Les critères de contrôle sont définis: homogénéité, stabilité des températures de changement d'état etc.

Est un corps pur ce qui résiste à l'analyse immédiate.

Est un mélange ce qui se sépare au cours de l'analyse immédiate.

Le concept au lieu d'être un définition simple de logique théorique, est alors le résultat de toute une pratique, pouvant se résumer dans le schéma suivant.

Ce concept est évolutif avec le temps, car si on dispose de méthodes d'analyse plus puissantes, on pourra, à un moment donné, décomposer un ex-corps pur en ses constituants.

ex: séparation de l'hydrogène en ses isotopes D et T qui avaient complètement échappés aux observateurs avant la spectroscopie de masse. Les critères utilisés n'ayant pas la finesse nécessaire avant la SM pour faire supposer l'existence de ce mélange. Or les méthodes d'analyse ne sont pas internes à la chimie, et dépendent aussi des autres sciences, techniques, industries et commerces, ainsi que de leur évolution historique et géographique (progrès).

Or, rien n'autorise à penser le Réel comme non contradictoire, si ce n'est qu'à ce jour la contradiction du réel à toujours pu être surmontée.

Il faut ici s'arrêter sur l'instrument scientifique.

La vérification se fait alors au niveau de la cohérence des catégories dans le système global des représentations, (Théories). D'où le rôle fondamental joué par les congrès, publications, comparaison et critique des tests. La science est nécessairement une œuvre collective.

Un corps pur est considéré comme une espèce présentant une stabilité,(pas seulement au sens chimique, mais aussi logique). C'est à dire, quelle que soit la source de cette espèce elle aura toujours la même composition, les mêmes températures de changement d'état, les mêmes propriétés physiques et chimiques. Or il est évident que la glace solide est différente de l'eau liquide du point de vue mécanique, que le carbone du diamant n'a pas les qualités conductrices du carbone graphite. Mais malgré l'instabilité, au niveau des apparences, on conserve l'eau et la glace, le diamant et le graphite, dans la même catégorie, du fait de la cohérence que ce choix donne à l'ensemble des représentations.

La persistance de présentations dogmatiques dans l'enseignement semble principalement dues à la nécessité d'une cohérence du discours facilitant la compréhension, donc la communication des informations. D'où la rareté d'une présentation plus scientifique, assez rébarbative, de concepts supposés "simples" dans les cours de chimie de base (lycée et premier cycle). Seule l'approche historique de l'évolution des idées en sciences permet d'en saisir l'intérêt dont le plus important sera de conserver toute créativité à l'étudiant ainsi que la réceptivité à la créativité d'autrui. On ne peut que laisser au lecteur le soin de juger de l'importance de favoriser ces qualités.

Aristote usait d'une symbolique des éléments feu, eau, air et terre.

En fait cette symbolique, n'est autre qu'une sténographie n'apportant pas d'information particulière par rapport à une écriture classique du nom de l'élément. La découverte d'autres éléments, ainsi que le fait que toute transmutation s'averait impossible, amena de nouvelles représentations.

DALTON (1766-1844), père de la théorie atomique en a proposé une autre:

hydrogène azote phosphore soufre iode zinc gold silver

Vers 1820 BERZÉLIUS systématisa l'emploi de lettre pour symboliser les éléments et donna à la chimie son écriture actuelle. Mais il faut noter que cette fois la signification du symbole est radicalement nouvelle car on représente à la fois la nature de l'élément et une masse de matière, unité de réaction chimique, la masse atomique . C'est à cette époque qu'émerge la théorie atomique. qui va s'imposer progressivement tout au long du dix-neuvième siècle

PLATON puis ARISTOTE pensaient autrement et à part quelques épisodes, il faut attendre le 17° siècle pour disposer de moyens propres à étayer ou à réfuter les idées sur cette question.

VAN HELMONT (1577-1644) de Bruxelles conteste Aristote, l'astrologie et DESCARTES. Il utilise le premier la balance, (connue depuis l'antiquité), en chimie, s'intéresse aux gaz et vapeurs, découvre le CO2 et une espèce d'air qui se dégage de l'action de dissolution du zinc dans l'acide. La masse, notion tirée de la physique, commence à s'imposer comme une propriété liée à la matière.

BOYLE en Angleterre (1627-1691) distingue les mélanges des combinaisons, et postule qu'un élément est un corps indécomposable.(concepts mélange/corps purs et corps pur/élément)

C'est au 18° siècle que se développe la théorie du phlogistique avec STAHL (1660-1734) qui va être le moteur d'une série de travaux qui aboutiront à sa réfutation.(Mieux vaut une idée fausse, que pas d'idées du tout ).

Le phlogistique serait contenu dans toute substance combustible et transformable par la chaleur. LAVOISIER entre autres démontrera que le phlogistique devrait avoir une masse négative et que la chaleur se dégageait de réactions avec l'oxygène de l'air.

Il faut bien comprendre, que cette idée est rendue possible par les travaux sur les gaz, et notamment la mise en évidence de l'existence de l'air par sa pression rend possible la pesée des gaz, même plus légers que l'air. Il n'en reste pas moins que rien n'impose que le phlogistique soit une matière, ni même que toute matière doit avoir une masse positive, si ce n'est le succès écrasant de la mécanique de Newton. En cela le début de la chimie est bien "matérialiste". De plus ce n'est pas une science qui se développe seule, elle est bien le produit des idées de la physique. (Ce qui permet de penser que la vision "idéaliste" n'est pas sans fondements.)

L'emploi de la pesée systématique des réactifs et des produits va, dès le début du 19° siècle, permettre d'établir les premières lois quantitatives qui vont fonder la théorie atomique.

LOI de PROUST (1801) dite des proportions définies " Les proportions selon lesquelles deux éléments s'unissent pour former une combinaison chimique définie sont dans des rapports pondéraux invariables". (On a trouvé une invariant, une "stabilité" dans le "bruit" des observations).

Fortement contestée par BERTHOLLET, elle fut définitivement admise après les travaux de BERZÉLIUS

LOI de DALTON (1804) "proportions multiples" "Lorsque deux éléments donnent plusieurs composés, les diverses masses de l'un qui s'unissent à la même masse de l'autre sont dans des rapports simples."

Exemple des oxydes de Fer: On connaît, en notation actuelle, FeO et Fe₂O₃. Pour une même masse de Fer le rapport des masses d'oxygène dans les deux composés est de 2/3

LOI de RICHTER ( 1792 à 1807) loi des "nombres proportionnels" et notion de "Stœchiométrie", " Soient a et b les masses des éléments A et B qui s'unissent à une même masse c de C. Si A et B se combinent entre eux pour former des composés définis, les masse combinées seront entre elles dans le rapport xa et yb où x et y sont des nombres entiers".

Exemple: avec le soufre, l'oxygène et l'hydrogène, il existe les combinaisons, (corps purs en notation actuelle), SO₂ , H₂S, et H₂O. Pour une même masse de soufre de 32g on a dans SO₂, a =32g d'oxygène, et dans H ₂ S b = 2g d'hydrogène. La combinaison de ces deux derniers éléments dans l'eau donne xa = 16g d'oxygène pour yb = 2g d'hydrogène. si x = 1 = 2*16/32 y = 2 = 2*2/2

Le rapport entre x et y est de 2 ou ½.

DALTON (1808) " Les éléments sont constitués d'atomes qui restent indivisibles dans les réactions chimiques".

Il s'agit là d'une opinion et non d'une affirmation scientifique. DALTON exprime que cette idée est conforme à ce qu'il constate mais il n'existe pas à l'époque de moyens de vérifier ou d'invalider cette affirmation. Elle n'est pas "falsifiable" au sens ou le demandera en 1935 Karl Popper. C'est à dire qu'il n'existe pas une procédure expérimentale permettant de la mettre à l'épreuve du réel. Néanmoins elle va être le puissant moteur de toute la recherche du XIXème siècle.

LOI de GAY-LUSSAC (1809) "Lorsque deux gaz se combinent, il existe un rapport simple entre leur volumes mesurés dans les mêmes conditions de température et de pression. Lorsque deux gaz se combinent et que la combinaison résultante est également gazeuse, il existe un rapport simple entre son volume et celui des gaz composants".

LOI d'AVOGADRO (1811) ET AMPÈRE (1814) Reprenant le modèle donné par BERNOULLI dans sa théorie cinétique des gaz (1738), Ils pose que des volumes égaux de composés différents, pris dans les mêmes conditions de température et de pression contiennent une nombre égal de molécules.

La notion de molécule est loin d'être claire pour les contemporains et il faudra beaucoup de travaux supplémentaires et la défense de CANNIZZARO au congrès de Karlsruhe en 1860 pour que cette idée soit enfin acceptée.( délai de 49 ans).

Dès 1818 BERZÉLIUS propose l'usage des lettres pour symboliser les éléments et il ajoute à ce symbole une masse atomique (équivalent) dont il fait les mesures. D'abord il prend pour base 100g pour l'équivalent de l'oxygène puis 1 g pour l'hydrogène. Ses résultats sont étonnants de précision vu les moyens de l'époque.

Ces mesures et cette écriture vont grandement contribuer au succès de la théorie atomique, alors que BERZÉLIUS lui-même va la refuser et la combattre. Il est équivalentiste, c'est à dire qu'il pense inutile , ou abusive, une représentation de la matière selon une forme, par des points ou des boules reliées dans l'espace, mais préfère s'en tenir à des relations mathématiques entre les masses ou les volumes des corps en réaction par le jeux des masses atomiques. C'est une position que l'on retrouvera chez les positivistes ainsi que chez les physiciens de l'école de Copenhague, plus tard, visant à s'en tenir à "l'observable" et tenant pour illusoire toute tentative de donner une "forme" à l'objet d'étude tant qu'on ne peut pas voir ou prouver la réalité de celle-ci. (Voir à ce sujet les récentes publications de R THOM).

Les points de vue à l'époque sont aussi tranchés durant tout le XIX^èmesiècle.

"je n'admets ni la loi d'Avogadro, ni les atomes,ni les molécules, refusant absolument de croire ce que je ne puis voir, ni imaginer" (Sainte Claire Deville, 1850)

"La Science a fait trop belle la part de l'hypothèse, elle a perdu trop de temps à des discussions stériles sur l'essence des choses" (Auguste Compte, 1840)

"Elle (la théorie atomique) sert de lien entre la chimie et la physique,...Elle n'est qu'un hypothèse, mais elle offre le caractère de simplicité et de généralité qui lui assurent la vraisemblance et par la suite l'autorité, et qui en fait un instrument des plus efficaces pour la découverte des vérités scientifiques et pour l'amélioration des méthodes d'enseignement...". (A Wurtz, 1860).
 
 

En 1819 DULONG et PETIT constatent que le produit du poids atomique et de la chaleur spécifique à l'état solide est une constante voisine de 6,4 calories par mole pour de nombreux éléments. Ils en tirent une loi qui va permettre de déterminer le poids atomique des éléments existant sous forme moléculaire polyatomique (N2 ).

MITSCHERLICH en 1819 à partir de l'isomorphisme des cristaux de certaines composition chimiques va oser une règle, "Les corps isomorphes ont des formules analogues". Constatant l'isomorphisme du phosphate de sodium Na2 HPO 4 avec l'arséniate de sodium, il postule la formule de ce dernier,Na 2 HAsO 4 et par dosage détermine le poids atomique de As =75

Les découvertes d'éléments nouveaux se poursuivent pendant ce temps. En 1700 on connaît environ 12 éléments. On en découvre 21 au cours du 18° siècle, 24 pendant les 50 années suivantes, 23 entre 1850 et 1899, 16 depuis cette date ( Non comptés les éléments instables transuraniens, technétium et prométhium).

Les analogies de comportement chimiques sont constatées et donnent lieu à des classements divers, plus ou moins heureux. RICHTER lance l'idée d'un classement mais ne parvient pas à conclure. De 1817 à 1829 DOBEREÏNER regroupe des Triades telles que les propriétés sont communes et le poids atomique du second est la moyenne entre le premier et le dernier.

Il obtient Li 7 Na 23 K 39; Ca 40 Sr 88 Ba 137;

S32 Se 88 Ba 137 Cl 35,5 Br 80 I 127;

Vers 1830 une vingtaines de triades étaient identifiées.

DUMAS va élargir ce concept, abandonner l'idée de moyenne difficile à justifier et créer des familles de plus de trois éléments(1830).

Ex: O, S, Se, Te. (chalcogènes)

1862, BEGUYER de CHANCOURTOIS met pour la première fois en évidence une certaine périodicité des propriétés des éléments en plaçant ceux-ci sur une hélice verticale, par poids atomiques croissants de bas en haut et d'un pas de 16g. Deux ans plus tard J NEWLANDS propose un tableau de 7 sur 7. Les éléments sont classés en ligne par poids atomiques croissants et tous les 7 éléments on commence une nouvelle ligne située sous la précédente. Ces deux essais ne rencontrent que scepticisme ou ironie, car trop d'exceptions se présentent sans qu'aucune ne puisse être justifiée. L'idée est néanmoins reprise par LOTHAR MEYER en 1869, qui propose un système général des éléments. Il porte sur un graphe en abscisse les poids atomiques et en ordonnée le rapport entre le poids atomique et la densité. Il obtient une courbe en dent de scie sur laquelle les éléments d'une même famille se présentent alignés.

C'est à partir de cette époque que MENDELEIEFF va proposer une classification plus audacieuse. Il (im)pose en tant que loi que:" Les propriétés des corps simples, comme les formes et les propriétés des combinaisons, sont une fonction périodique de la grandeur du poids atomique." Et publie le tableau suivant sous cette forme.

Il modifia la place de 17 éléments dont la position lui semblait erronée.

"La disposition des éléments correspond à leur "valence". - Les corps simples les plus répandus sur terre ont un poids atomique faible et tous les éléments de faible poids atomique ont des propriétés bien tranchées"

"Il faut attendre la découverte d'éléments simples inconnus ressemblant à Al et Si et ayant des poids atomiques entre 65 et 75 ( éka-aluminium, éka-bore, et éka-silicium)."

Il permute les positions du tellure et de l'iode pour les replacer dans leur famille .

En 1875 LECOQ de BOISBAUDRAN découvre par spectroscopie, (comme l'avait prédit Mendeleïeff), le Gallium dans le minerai de zinc. Les prévisions portaient sur les points suivants

Succès confirmé par la découverte en 1879 par NIELSEN du Scandium (éka-bore) et par WINKLER en 1886 du Germanium (éka-silicium). Mais en 1895 RAMSAY découvre les premiers gaz rares de l'air l'Hélium et l'Argon, qui n'appartiennent à aucune famille connue.

Il suffira d'ajouter une ligne au tableau entre les halogènes (F, Cl...) et les alcalins (Li, Na...) pour placer la nouvelle famille et d'attendre les découvertes à venir des gaz manquants.

RYDBERG en spectroscopie tenta un nouveau concept celui de Numéro atomique qui justifiait les irrégularités du tableau. Mais la confirmation la plus définitive vint en 1913 par MOSELEY en spectrographie de rayon X. La fréquence de la première raie ( dite K) émise par un élément est égale à Cte . où Z est le numéro atomique de l'élément, que vient de proposer Rydberg. C'est à dire le N° de la place de l'élément dans le tableau. Ceci donnait un justification expérimentale à ce dernier et établissait pour tous les scientifiques la théorie atomique.

En fait, une dernière polémique va être livrée entre atomistes et énergétistes au rang desquels OSTWALD qui fit cette intéressante déclaration à rapprocher des idées du chapitre I, "La matière est une invention que nous nous sommes forgée pour représenter ce qu'il y a de permanent dans toutes les vicissitudes. La réalité effective, c'est à dire celle qui fait de l'effet sur nous, c'est l'énergie".

Il est à remarquer que l'époque coïncide avec le début d'une autre théorie, celle de la discontinuité de l'énergie. Cette dernière va donner une telle solidité aux idées atomistes, que la nature de la chimie va s'y perdre. Car si aucune transmutation n'est possible la chimie a une existence propre, mais il va être établi, que le passage d'un élément à l'autre, bien que difficile n'est que le résultat d'une mécanique de particule, donc qu'il n'y a pas de nature de la matière, et la chimie n'est plus qu'une partie de la physique.

En 1811 BERZÉLIUS propose une théorie dualistique de l'existence des composés. Si on peut électrolyser l'eau et les sels fondus c'est que les corps purs sont constitués de deux parties. L'une est basique et chargée négativement, l'autre est acide et chargée positivement. La force qui les relie est électrostatique. On connaissait les oxydes et leur affinité pour l'eau. Ceux des métaux sont basiques et ceux des métalloïdes sont acides. Un composé est donc la juxtaposition de deux oxydes. Le sulfate de potassium doit être écrit SO3 + KO. Cela aurait pu faire le bonheur des minéralistes, mais ne fit pas celui des organiciens, pour plusieurs raisons, pas toutes très scientifiques.

D'abord l'électrolyse ne donne que dans de rares cas des dissociations de composés organiques. Quelques synthèses ont été réussies par KOLBE. En voulant dissocier l'acide acétique, il obtint du CO2 et de l'éthane, qu'il prend pour le "méthyle" radical libre très recherché à l'époque.

De plus, les organiciens sont très séduits par l'atomisme, que combat BERZÉLIUS, fervent équivalentiste. Il déclare qu'on ne parviendra jamais à préparer un composé organique par synthèse totale, car il faut une "force vitale" que seul le corps vivant possède. Or son élève WÖHLER au travail sur l'acide cyanique vient de faire la synthèse de l'urée, composé éminemment organique à partir de matériaux totalement minéraux. (La gaffe).

En 1832 WÖHLER et LIEBIG proposent une théorie de radicaux, qui fait l'impasse sur la nature de la liaison chimique, et permet d'écrire des réactions organiques. Une espèce chimique est composée d'un radical sur lequel se fixe un atome ou un groupe d'atome. On peut changer ce dernier pour obtenir un composé de la même famille que le précédent .

Ex Rad H, Rad Cl, Rad OH Si (pour nous) Rad = C 6H5 -CO- On a l'aldéhyde benzoïque, le chlorure de benzoyle et l'acide benzoïque

DUMAS (équivalentiste) et LAURENT vont généraliser cette idée, après la synthèse de l'acide chloracétique, ils proposent la théorie des substitutions en 1835. "Dans l'acide acétique, on peut substituer trois chlores aux trois hydrogènes du radical CH3 et obtenir ainsi l'acide trichloracétique." et Dumas généralise "Quand un corps hydrogéné est soumis à l'action déshydrogénante du chlore, du brome , de l'iode ou de l'oxygène .... pour chaque atome d'hydrogène qu'il perd, il gagne un atome de chlore, brome, iode ou un demi-atome d'oxygène." BERZÉLIUS s'étonna qu'on puisse substituer un élément électronégatif (Cl) à un élément électropositif (H).

GERHART, WURTZ et LAURENT vont développer leur idées en les systématisant dans la théorie de types . Ils proposent trois types essentiels, l'hydrogène, l'eau et l'ammoniac en 1843. Dans un type on pourra remplacer par substitution, un H par un radical, pour obtenir un autre composé.
Exemple: Type EAU
 

Eau	Alcool	Ether

Ceci nous donne une première écriture des molécules organiques. Rapidement le nombre de types va s'accroître avec H2S et surtout CH 4.

En 1848, PASTEUR en recristallisant une solution de tartrate double de sodium et d'ammonium isole deux types de cristaux différents, de POUVOIR ROTATOIRE* égal et opposé. Il en conclut que la dissymétrie du cristal résulte de la dissymétrie des molécules le constituant. Et pour admettre une molécule dissymétrique il conclut: "La différence entre ces deux acides provenait d'un arrangement spatial différent des atomes."

Cette remarque est déterminante pour l'avancement des idées, car si cette seule différence de disposition peut être la cause d'une différence de propriété observable, alors que le système équivalentiste s'avère impuissant à représenter cette différence. Dans les deux types de cristaux les rapports masses des éléments sont les mêmes, qu'ils soit pris globalement ou même isolés en radicaux identiques. Seule la disposition spatiale des atomes ou groupes d'atomes pourra justifier ces comportements différents.

Bientôt les événements vont se précipiter. 1852 FRANKLAND introduit la notion d'atomicité qui évolue en 1868 en VALENCE terme employé par WISCHELHAUS.

En même temps (1858) KEKULE VON STRADONITZ envisage les enchaînements de carbone, tandis que COUPER propose de noter par un trait une liaison entre deux atomes. Mais LOSCHMIDT se heurte à la question de composé insaturés comme l'éthylène ou l'acétylène. Il se résout, après avoir échoué dans la synthèse du méthylène, à proposer les doubles et triples liaisons notées de deux et trois traits superposés.        H2C=CH 2         HC CH

KEKULÉ imagine en rêve (authentique) la structure cyclique du benzène en 1895 et BUTLEROV va inventer un état oscillatoire des liaisons pour justifier le nombre d'isomère. (1872)

Enfin, indépendamment , LE BEL et VAN'T HOFF proposent la structure tétraédrique du carbone. Elle justifie toutes les isoméries y compris l'isomérie optique. Malgré quelques oppositions, ce modèle géométrique spatial des molécules finit par s'imposer et conduit à l'écriture actuelle.

Une question, en suspend depuis BERZÉLIUS, n'est cependant toujours pas résolue, celle de la liaison chimique.

L'ISOMÉRIE

Le mot est inventé par BERZÉLIUS en 1830. Il définit la relation entre deux composés qui ont une même composition, une même analyse élémentaire, mais une ou des propriétés chimiques et/ou physiques différentes. Le rôle d'une représentation est de rendre compte d'un fait. L'écriture chimique attendra d'être assez évoluée pour atteindre ce but. Mais tout peut être interprété à partir de la forme de la molécule, la disposition des atomes les uns par rapport aux autres, les distances entre eux, les angles des liaisons

Exemples tirés du poly de C 32
 

ISOMÉRIE DE FONCTION

Le groupe fonctionnel n'est pas le même dans les deux isomères.

Ex: Ethanol et diméthyléther CH3 -CH3-OH         CH3-O-CH3

ISOMÉRIE DE POSITION (OU DE SQUELETTE)

Les groupes fonctionnels sont identiques mais fixés ailleurs.

Ex: Hexan-3-ol et Hexan-2-ol

Parfois c'est le groupe alkyle qui est disposé différemment (is. de squelette)

Ex: Méthyl-3-Pentan-2-ol et Hexan-2-ol

Enfin les deux cas peuvent se produirent simultanément (Méthyl-3-Pentan-2-ol et Hexan-3-ol).

ISOMÉRIES GÉOMÉTRIQUES OU STÉRÉOISOMÉRIES

Dans deux isomères plans les atomes analogues sont tous reliés entre eux. Puisque les composés sont différents il faut que les molécules soient différentes. On passe d'un isomère à l'autre par une ou plusieurs permutations de deux atomes ou groupes d'atomes sur un même site de la structure commune . Ce cas ne donne des composés différents que dans les molécules tridimensionnelles, (même si ce n'est pas évident à première vue).

ISOMÉRIE des ALCÈNES.

Apparemment les alcènes sont des molécules planes, mais la liaison est perpendiculaire au plan des substituants. Elle ne permet pas de libre rotation autour de l'axe C=C des carbones doublement liés. Comme les substituants sont hors du plan de la liaison , ils forment un angle de 120°, s'ils sont différents, ils entraînent une orientation de l'espace à 3 dimensions.

ISOMÉRIE DES CYCLES ET STRUCTURES PLUS COMPLEXES

Dans certains cycles symétriques au moins bisubstitués, les atomes du cycle définissent un plan, le premier substituant donnera une direction hors du plan. Le second pourra donc être du côté du premier ou de l'autre par rapport au plan.

ISOMÉRIE OPTIQUE

Dès que FRANKLAND eût proposé la valence, Il était évident qu'il fallait résoudre la question de la nature de la liaison dans les molécules. A part une tentative de WURTZ parlant d'affinité chimique rien ne peut justifier l'existence d'espèces comme O2 ou Cl2 par exemple. D'autant plus que, en 1892, WERNER découvre de nouveaux composés, qu'il baptise "Complexes" dans lesquels à un atome métallique sont liés des anions ou des molécules neutres. Le XX ème siècle débute avec trois types de liaisons, électrostatique, organique et complexes inexpliquées.

Il faut attendre une théorie acceptable de l'atome.

La théorie atomique, moteur de la recherche pendant un siècle va triompher et disparaître au même moment. Les dernières batailles ont lieu avec les positivistes et les énergétistes. Les uns refusaient tout ce qui ne pouvait être prouvé directement les autres ne voyaient pas de réalité dans la matière. En 1903 grâce à l'ultra microscope de R. ZSIGMONDI le mouvement Brownien des particules colloïdales est mis en évidence et donne une première vision de la discontinuité de la matière. Voilà pour le triomphe

Mais, parallèlement des physiciens en étudiant la conductivité des gaz raréfiés vont démolir le postulat atomique de l'insécabilité de l'atome. Et il en sera de même de la loi de Lavoisier avec les travaux d'EINSTEIN sur la conversion matière-énergie (E=mc² ). Étrangement c'est cette fin de la théorie atomique qui va permettre d'élaborer une théorie de la liaison chimique.

1897, J.J. THOMSON découvre l'électron. Il mesure ensuite sa masse et sa charge. RUTHERFORD avec son modèle planétaire, puis N. BOHR en 1913 conduisirent à une structure en couche d'électrons, se saturant à 2, 8,18 électrons. En 1904 ABBEG avait déjà proposé une théorie de l'électrovalence reposant sur le fait que certains éléments ont plusieurs valences positives ou négatives dont la somme des valeurs absolues égale 8.

(N dans NH3 v= -3; dans N 2O5 v= +5)

RAMSAY après avoir découvert les gaz rares, seuls éléments à exister naturellement à l'état atomique non-lié, propose qu'une liaison chimique s'établit par l'intermédiaire des électrons.

En 1916 KOSSEL développe une théorie de la liaison ionique en constatant que les ions ont généralement une structure de gaz rare, couche externe saturée par gain ou perte d'électron:

Cl + e^- Cl^- ou Na  Na⁺ + e^- .

LEWIS la même année donne un modèle de la liaison dite covalente des molécules en postulant l'aptitude des électrons à se répartir autour de deux noyaux atomiques (partage) pour permettre à chaque atome d'avoir une structure de gaz rare.

Après les avancées des physiciens dans le domaine de la mécanique des particules, mécanique ondulatoire, une théorie unitaire de la liaison a été développée par différents chercheurs HEILTER, LONDON, MULLIKEN, PAULING, BLOCH, mais ceci sera développé dans vos différents cours ultérieurs.

En résumé, on conserve en chimie quelques modèles types de liaisons permettant à l'imaginaire de s'y retrouver, mais toute liaison "réelle" peur être considérée comme un intermédiaire entre ces modèles types.

QUELQUES REPRÉSENTATIONS NORMALISÉES
EXEMPLES DE CHIMIE ORGANIQUE. CRAM, NEWMANN, FISCHER, HAWORTH, MODÈLES TRIDIMENSIONNELS.

La question des représentations planes de figures tridimensionnelles n'est pas propre à la chimie, mais cette dernière lui a donné des réponses particulières qu'il faut maîtriser.

La plus simple est la représentation projective dite de CRAM qui représente un carbone tétraédrique, vu selon une direction perpendiculaire au plan comprenant le carbone et deux substituants les deux autres sont dans ce cas situés pour l'une vers l'observateur et la liaison correspondante est un triangle noir dont la base est vers l'observateur et le sommet sur le carbone, et pour l'autre au delà du plan et symbolisée par un triangle strié dont le sommet est sur le carbone et la base vers le substituant.

Très facile à comprendre, intuitive, cette méthode suppose une vue correcte de l'espace (pas évidente) et un minimum de pratique du tétraèdre afin d'éviter le type de dessins aberrant parfois rencontrés.

Par contre elle devient très délicate ,voire inutilisable, avec plusieurs carbones situés dans des plans différents du plan de figure.

La représentation due à NEWMANN donne aussi l'impression d'une simple projection géométrique. Une liaison CC particulière est vue de bout par rapport au plan de figure . Le C devant est symbolisé par un point celui de derrière par un cercle. Les substitutions se projettent selon trois segments de droites à 120°.

Elle rend immédiat la visualisation de l'angle dièdre a entre les plans C1C 2C3 et C2 C 3C4

Mêmes limitations que pour la formule de CRAM

La représentation due à FISCHER est plus ancienne,et plus conventionnelle, son usage impose d'en connaître les règles d'utilisation et certaines subtilités. Il s'agit de représenter une chaine de carbone priviligiée, par une droite verticale. Les carbones seront à l'intersection de cette verticale et d'une horizontale symbolisant les 2 liaisons restantes. Les substituants seront alors à gauche ou à droite. Il est donc indispensable de savoir quel groupe placer en haut de la chaine, et compte tenu de la possibilité d'une chaine carbonée de s'entortiller assez facilement, de définir la position relative des atomes de carbone (valeur du dièdre CCCC = 0°, conformation éclipsée).

ex: glucose

Une dernière représentation, due à HAWORTH, est plus abstraite et simplificatrice, mais elle conserve les principales propriétes de symétrie des molcules cycliques à 5 ou 6 atomes qu'elle concerne. Alors qu'on sait que le cyclohexane forme de cycles non plans de type chaise ou bateau porteur de substitution en position axiale ou équatoriale, on utilise un hexagone plan doté de liaison perpendiculaire par-dessus et par-dessous le plan du cycle.

Forme chaise Forme bateau

Bien que géométriquement "fausse" quant à la représentation des angles et des distances entre atomes, cette formule conserve les symétries des formes chaises et bateau tant que l'interconversion entre les différentes conformations reste possible.
 
 

Je reste à l'écoute des vos avis, critiques, sur ce travail, tout en espérant vous avoir intéressé.

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