Le terme chimie nous vient du mot arabe الكيمياء al kemi, c'est-à-dire alchimie, littéralement la kemia, la chimie[3]. L'alchimie avant de s'égarer parfois dans une quête philosophale ou une théorisation absconse prend sa source dans un savoir précurseur de la chimie égyptienne, déformé et emprunté par les mondes hellénistiques et byzantins, puis préservé dans le monde musulman.

Khem(et) désigne la terre pour les anciens égyptiens. La chimie est l'art de la terre et le savoir sur la terre. Elle a connu différents essors entre 6000 et 2000 ans avant l'ère chrétienne.

Deux étymologies sont fréquemment citées, mais ces hypothèses peuvent être reliées :

  • l'une égyptienne, kemi viendrait de l'ancien égyptien Khemet, la terre. Il se retrouve aussi dans le copte chame « noire » puisque dans la vallée du Nil, la terre est noire. L'art de la kemi, par exemple les poisons minéraux, a pu influencer la magie noire. La terre d'Égypte elle-même aurait été fort anciennement une terre conquise par des peuples noirs[4].
  • la racine grecque se lie à χυμεία, khumeia, « mélange de liquides » (χυμός, khumos, « suc, jus »)[5].

Certains étymologistes assurent que le mot arabe "kemia", vient du grec χεμεία, "khemeia", qui signifie "magie noire" venant de l'égyptien ancien "kem" qui désigne la couleur noire.

Les origines

Un appareil de distillation fractionnée de laboratoire.
La distillation fractionnée sert à séparer des produits chimiques et est certainement l'une des opération chimique pratiquée depuis le plus longtemps.

L'art d'employer ou de trier, préparer, purifier, de transformer les substances séchées mises sous forme de poudres, qu'elles proviennent du désert ou de vallées sèches a donné naissance à des codifications savantes. Elles sont d'abord essentiellement minérales. Mais les plantes éphémères et les arbres pérennes du désert, et leurs extraits gommeux ou liquides nécessaires aux onguents, ont été très vite assimilés à celles-ci, par reconnaissance de l'influence des terres et des roches.

Outre la connaissance du cycle de l'eau et les transports sédimentaires, la progressive maîtrise des métaux et des terres, les Anciens Egyptiens connaissent le plâtre, le verre, la potasse, les vernis, le papier (papyrus durci à l'amidon), l'encens, une vaste gamme de couleurs minérales ou pigments, de remèdes et de produits cosmétiques... Plus encore que les huiles à onction ou les bains d'eaux ou de boues relaxant ou guérisseurs, la chimie est un savoir sacré qui permet la survie, par exemple par l'art sophistiqué d'embaumer ou par le placement des corps des plus humbles dans un endroit sec.

L'art de la terre égyptien a été enseigné en préservant une conception unitaire. Les temples et les administrations religieuses ont préservé et parfois figé le meilleur des savoirs. Le pouvoir politique souverain s'est appuyé sur les mesures physiques, arpentage et hauteur hydraulique des crues, peut-être sur la densité du limon en suspension, pour déterminer l'impôt et sur les matériaux permettant les déplacements ou la mobilité des armées. Le vitalisme ou les cultes agraires et animaux, domaines appliqués de la kemia, ont été préservés dans des temples, à l'instar d'Ammon, conservatoire des fumures azotées et de la chimie ammoniacale antique.

représentation dans l'alchimie des sept éléments connus au Moyen-âge

Nos repères de pensée taxonomique sont profondément influencés par les civilisations grecques puis hellénistiques, férues de théorisations, qui ont lentement esquissé de façon sommaire ce qui encadre aux yeux profanes la chimie, la physique et la biologie. Elles ont laissé les techniques vulgaires au monde du travail et de l'esclave. L'émergence de spiritualités populaires, annexant l'utile à des cultes hérmétiques, a promu et malaxé ses bribes de savoirs dispersés. Il est d'ailleurs significatif que les premiers textes datés tardivement du Ier siècle et IIe siècle siècle après Jésus-Christ qui nous soient parvenu comportent à l'exemple de l'alchimie médiévale la plus ésotérique, une partie mystique et une partie opératoire[6]. La religiosité hellénistique nous a ainsi légué aussi bien le bain marie, de Marie la Juive que l'abscon patronage d'Hermès Trismégiste, divinité qui prétendait expliquer à la fois le mouvement et la stabilité de toute chose humaine, terrestre ou céleste.

Évolution avant l'apparition d'une science mécaniste

Au cours des siècles ce savoir empirique oscille entre art sacré et pratique profane. Il s'est préservé comme l'atteste le vocable chimia des scolastiques en 1356, mais savoir et art de faire sont souvent segmentés à l'extrême, parfois amélioré dans le monde paysan, artisan ou minier avant de devenir une science expérimentale, la chimie, au cours des troisième et quatrième décennies du XVIIe siècle. Au même titre que la physique, le prodigieux essor de la pensée et de la modélisation mécanistes, fait naître la chimie sous forme de science expérimentale et descriptive[7]. Riche de promesses, la chimie reste essentiellement qualitative et bute sur le retour incessant des croyances écartées.

La chimie a connu un énorme progrès quantitatif avec Antoine Lavoisier qui l'a promue en science exacte. Subsistaient acceptés par les croyances communes jusqu'en 1850, des alchimistes poursuivant la quête de la pierre philosophale continuant l'alchimie sous une forme ésotérique. La rupture entre la chimie et l'alchimie apparaît pourtant clairement en 1722, quand Étienne Geoffroy l'Aîné, médecin et naturaliste français, affirme l'impossibilité de la transmutation. La chimie expérimentale et l'alchimie diffèrent déjà radicalement ; il est donc nécessaire de pouvoir distinguer ces deux termes restés dans le langage.

Les biographies des savants français et étrangers sont répertoriées dans les articles catégorie: chimiste ou dans la liste de chimistes.

Les représentations de l'atome et de la molécule

L'étude qualitative de la matière a naturellement conduit les premiers chimistes des années 1620-1650 à modéliser sa composition, puisant dans une abondante tradition antique. John Dalton, persévérant expérimentateur, continuateur de la première lignée mécaniste partiellement abandonnée, a le premier essayé de donner une définition moderne de la notion d'atome. L'atome est une particule fondamentale ou une combinaison de plusieurs d'entre elles. En 1811, Amedeo Avogadro affirme que le volume d'un gaz quelconque à pression et température constante contient le même nombre de particules, qu'ils dénomment molécules intégrantes ou constituantes[8].

Mais il a encore fallu l'obstination de nombreux chimistes souvent incompris, Jons-Jakob Berzelius en pionnier de l'électrovalence dès 1812, pour réaffirmer la possibilité d'une modélisation à la fois mécaniste et géométrique par le biais d'une architecture atomique. Un Auguste Laurent, proposant pour des séries homologues de molécules organiques un même squelette constitué d'atomes, était atrocement dénigré par les maîtres des laboratoires[9]. Mais malgré la suprématie et l'influence politique des équivalentistes, le revirement s'opère, porté par la reconnaissance des vieux succès de l'électrochimie préparative depuis Humphrey Davy et Michael Faraday et la volonté de corréler quantitativement nombre d'espèces chimiques et masse d'un corps pur.

Les premières représentations des atomes avec des électrons en orbite

Le congrès de Karlsruhe organisé en 1860 par les amis de Friedrich August Kékulé von Stradonitz et de Charles Adolphe Wurtz ouvre la voie à des conventions atomiques[10]. Son influence éveille une intense recherche de classification des éléments qui débouche notamment sur les classifications périodiques de Mendéléiev et de Meyer. Elle entraine un renouveau d'intérêt pour les molécules[11]. Kékulé et Kolbe en chimie organique, Le Bel et Van 't Hoff en chimie générale et plus tard Alfred Werner en chimie minérale établissent les fondements de la représentation en structures moléculaires[12].

Les orbitales atomiques, qui décrivent le nuage électronique sont décrites par des équations de la mécanique quantique. Elles sont actuellement notre meilleur outil pour décrire les atomes

Ce sont les physiciens attirés par la belle cohérence de la chimie des décennies suivantes qui ont poursuivi à une échelle plus précise les recherches sur la structure de la matière. Les travaux de Joseph John Thomson, découvreur de l'électron en 1897, prouvent que l'atome est constitué de particules électriquement chargées. Ernest Rutherford démontre par sa célèbre expérience en 1909 que l'atome est surtout fait de vide, son noyau, massif, très petit et positif, étant entouré d'un nuage électronique. Niels Bohr, précurseur de la modélisation atomique, affirme en 1913 que les électrons circulent sur des « orbites ». Lorsque James Chadwick découvre les neutrons, la théorie quantique fondée dès le début de l'entre-deux-guerres sur le modèle rival proposé par Erwin Schrödinger renforcée pas les compléments matriciels de Werner Heisenberg, l'affinement théorique de Wolfgang Pauli a déjà pris son envol malgré les contestations appliquées et systématiques d'Albert Einstein. Des années 1930 à notre XXIe siècle, la mécanique quantique explique le comportement de l'atome et des molécules.

20 ème siècle: méthodes physiques d'identification de composés chimiques

Un spectromètre de masse

Au vingtième siècle, les progrès de la physique ont permis aux chimistes de mieux caractériser les composés avec lesquels ils travaillent: Avant il fallait une réaction chimique pour détecter ou caractériser une molécule. Maintenant les nouvelles méthodes de spectrométrie électromagnétique (infrarouge, lumière visible ou UV), de masse et autres résonance magnétique nucléaire ou diffraction de rayon X ont permis de remonter à la structure géométrique des molécules, de connaître leur composition isotopique et même de suivre des réactions chimiques en temps réel. Ces progrès ont permis des avancées énormes tout particulièrement en biochimie ou les édifices étudiés sont complexes et les réactions variées.

Disciplines de la chimie

La recherche et l'enseignement en chimie sont organisés en disciplines qui, souvent en absence de services, de coopération ou d'aides réciproques, s'ignorent et se développent en toute autonomie :

  • la biochimie qui étudie les réactions chimiques dans des milieux biologiques (cellules…) et/ou avec des objets biologiques (protéines…).
  • la chimie analytique est l'étude des méthodes d'analyses qualitatives et/ou quantitatives qui permettent de connaître la composition d'un échantillon donné ; ses principaux domaines sont : la chromatographie et la spectroscopie;
  • la chimie des matériaux est la préparation et l'étude de substances avec une application en tant que matériau. Ce domaine intègre des éléments des autres domaines classiques de la chimie avec un intérêt particulier pour les problèmes fondamentaux concernant les matériaux.
  • la chimie inorganique ou chimie minérale, concerne la description et l'étude des éléments chimiques et des composés sans squelette carboné.
  • la chimie organique est la description et l'étude des composés comportant un squelette d'atomes de carbone (composés organiques) ;
  • la chimie physique dont l'objet est l'étude des lois physiques des systèmes et procédés chimiques ; ses principaux domaines d'étude comprennent : la thermochimie, la cinétique chimique, l'électrochimie, la radiochimie, la sonochimie et les spectroscopies.
  • la chimie théorique est l'étude de la chimie à travers un raisonnement théorique fondamental (habituellement à l'aide des mathématiques et de la physique). En particulier, l'application de la mécanique quantique à la chimie a donné naissance à la chimie quantique. Depuis la fin de la seconde guerre mondiale, le progrès des ordinateurs a permis le développement de la chimie numérique (ou computationnelle).

Il existe d'autres domaines spécialisés ou d'interface :

agrochimie, astrochimie, catalyse homogène, catalyse hétérogène, carbochimie, chimie de l'atmosphère et de la haute atmosphère, chimie bioinorganique, chimie du carbone, chimie environnementale, chimie industrielle, chimie médicinale, chimie nucléaire, chimie organométallique, chimie des argiles et zéolithes, chimie de la combustion et des milieux plasma, chimie des polymères, chimie des sucres, chimie des surfaces, chimie des solutions, chimie radicalaire, chimie supramoléculaire, chimie verte, électrochimie, génie chimique, géochimie, immunochimie, microchimie, nanotechnologie, pétrochimie, pharmacologie, photochimie, phytochimie, tribologie.

Ces interfaces mouvantes ne facilitent pas la délimitation de la chimie. Tentons d'esquisser ses frontières.

  • avec la physique
Il n'existe pas de frontière clairement définie entre la physique et la chimie, mais, sont considérés généralement comme relevant de la chimie, les phénomènes provoqués par les réactions entre les constituants de la matière et entraînant une modification des liaisons entre les atomes. Selon la nature de ces liaisons, ces phénomènes impliquent entre les atomes des échanges ou mises en commun d'électrons ou bien des forces électrostatiques. Les niveaux d'énergie mis en œuvre dans les phénomènes chimiques font que seuls les électrons périphériques sont concernés. Au-delà, on entre dans la physique des plasmas, voire dans la physique nucléaire avec l'implication du noyau atomique. Aux échelles inférieures à celle de l'atome, l'étude des particules élémentaires et de leurs interactions relève de la physique des particules.
  • avec la biologie
Il n'existe pas non plus de frontière clairement définie entre la chimie et la biologie. En effet, la délimitation n'est pas bien définie entre la biochimie, qui est la sous-discipline de la chimie qui étudie les réactions chimiques dans des milieux biologiques (cellules…) et/ou avec des objets biologiques (protéines et autres biomolécules…) et la biologie moléculaire qui est la sous-discipline de la biologie qui s'intéresse à la compréhension des processus biologiques au niveau moléculaire.
  • avec la science des matériaux
La chimie est omniprésente lorsqu'on considère les fondements du domaine initialement technologique des matériaux. Mais ce dernier tend à prendre par hyperspécialisation une distance envers sa matrice, et cette toile de fond n'apparaît souvent que lors des évolutions techniques. Ainsi l'art de la dentisterie en mutation dans les années 1980-1990 est largement tributaire des applications de la chimie macromoléculaire.

L'évolution de la chimie, tant dans son enseignement que dans les champs de recherche, est influencée à terme par les puissantes directions de recherches américaines, en particulier de façon récente privilégiant majoritairement les domaines des soins et de la santé humaine et animale.

La langue de la chimie est majoritairement l'anglais. Dès années 1880 à la Grande Guerre, l'allemand, l'anglais et le français ont pourtant été des langues véhiculaires nécessaires aux savants. Mais survient l'éclipse du français dans l'entre-deux-guerre[13]. Puis l'allemand qui avait réussi à préserver quelques dernières revues importantes ou écrits scientifiques de référence a cédé face à la puissante organisation planétaire anglo-saxonne dans les années 1990.

Concepts de base

L'eau : trois atomes, deux éléments, deux liaisons, une molécule. Un atome d'oxygène (ici en rouge), se lie à deux atomes d'hydrogène (ici en blanc).

Élément

Un élément est une entité immatérielle dénuée de propriétés physiques ou chimiques. C'est un couple formé d'un symbole et d'un numéro atomique (numéro d'ordre dans le tableau périodique des éléments) qui caractérise les atomes, molécules, ions, nucléides isotopes d'une espèce chimique donnée. Il existe 92 éléments naturels et 17 artificiels connus. Un élément chimique désigne abstraitement l'ensemble des atomes qui ont un nombre donné de protons dans leur noyau[14]. Ce nombre est son numéro atomique. Par exemple, tous les atomes avec 6 protons dans leurs noyaux sont des atomes de l'élément carbone C. Ces éléments sont représentés dans le tableau périodique, qui rassemble les éléments de propriétés similaires.

Atome

L'atome d'une espèce chimique est une entité matérielle. Il est formé d'un noyau atomique contenant des nucléons, en particulier d'un nombre Z de charge électrique élémentaire positive du noyau qui maintient autour de lui un nombre d'électrons, charge négatives équilibrant la charge positive du noyau. Il possède un rayon, une structure géométrique, ainsi que des propriétés chimiques et physico-chimiques spécifiques relevant de ce cortège électronique.

Isotope

Les différent isotopes de l'hydrogène. L'hydrogène est le seul élément pour lequel on donne un nom particulier à ses isotopes (deutérium et tritium)

Un isotope d'une espèce atomique est une entité matérielle caractérisée par : le symbole de son élément, le nombre Z qui est aussi le numéro atomique, le nombre de masse A qui représente la masse relative de l'isotope, A = Z + N. Un isotope possède des propriétés nucléaires spécifiques. Les propriétés chimiques des divers isotopes ne diffèrent pas entre elles pour les atomes suffisamment lourds.

Molécule

Une molécule est un assemblage précis d'atomes, domaine défini et structuré dans l'espace et le temps par des liaisons chimiques fortes[15]. Une molécule polyatomique se comporte essentiellement comme une entité aux propriétés propres, une individualité chimique radicalement différente des atomes qui composent son architecture. Si les molécules monoatomiques ou les petites molécules polyatomiques sont électriquement neutres, les molécules plus grandes ou complexes n'obéissent pas systématiquement à ce critère.

Mole

Parce que le nombre d'atomes manipulé lors d'un réaction chimique est très élevé (de l'ordre de 1023) les chimiste utilisent la mole égale le nombre d'atomes divisé par le nombre d'Avogadro. Ce dernier est définit comme le nombre d'atome de carbone présents dans 12 grammes de carbone 12.

Liaison chimique

La liaison chimique impliquant la présence d'électrons liés à un ou plusieurs noyaux explique la réalité moléculaire[16]. Plus précisément elle assure la stabilité des molécules et dans le cas d'un assemblage complexe la cohésion liante de chaque atome entre eux, mettant en jeu par échange ou partage un ou plusieurs électrons dans les liaisons covalentes, par mise en commun d'électrons collectifs à un vaste réseau d'atomes dans la liaison métallique ou initiant par de fortes dissymétries locales de charges, des forces électrostatiques.

Corps pur

Un corps pur est un corps généralement macroscopique constitué au niveau moléculaire d'une seule espèce chimique[17]. Sa composition chimique, son organisation sous forme de gaz, liquide, solide amorphe ou réseaux cristallins...et ses propriétés physiques, par exemple les constantes physiques correspondant aux transitions de premier ordre comme la température de fusion, d'ébullition... peuvent être définies. En particulier, l'analyse chimique distingue les corps simples, dont l'espèce chimique est constituée d'atomes de mêmes éléments, des corps composés, dont l'espèce chimique est constituée d'atomes d'éléments différents[18].

Composé chimique

Un composé chimique désigne l'espèce chimique d'un corps composé. Un corps pur est caractérisé par sa formule chimique, écriture symbolique qui peut être plus ou moins complexe et détaillée, de sa composition chimique. La masse molaire d'un corps pur correspond au nombre d'Avogadro de son espèce chimique ou simple molécule.

Ion

Un ion est un atome qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons. C'est un cation simple lorsque son cortège électronique a été privé d'un ou plusieurs électrons, il est chargé positivement. C'est un anion simple lorsque son cortège électronique est excédentaire, il est chargé négativement. Les anions ou cations formés à partir de molécules polyatomiques sont appelés ions complexes.

Une réaction chimique est la transformation d’une ou de plusieurs espèces chimiques en d'autres espèces chimiques. Elle implique l'apparition ou la disparition d'au moins une liaison chimique. La réaction qui possède des caractéristiques thermiques nécessite ou fait apparaître différentes formes d’énergie en rapport avec l'énergie de liaison chimique.

Solution et émulsion

Une solution est un mélange homogène de substances miscibles, comme par exemple le chlorure de sodium NaCl (sel de cuisine) dans l'eau, qui peut précipiter dans certaines conditions. Une émulsion est quand à elle un mélange homogène de deux substances non miscibles et a des applications en pharmaceutique ou pour la préparation de certaines sauces en cuisine par exemple.

Oxydo-réduction et électrochimie

Une réaction d'oxydo-réduction met en jeu une perte ou un gain d’électron entre différents couples d'espèces chimiques. Une espèce d'un corps chimique ayant la capacité d’arracher des électrons à d’autres corps chimiques est appelée oxydant. De la même façon, une espèce d'un corps chimique capable de donner des électrons à une autre est appelée réducteur.

Acide et bases

Du papier indicateur de pH, un outil pratique pour évaluer l'acidité d'une solution

Les réactions acides-bases en solution sont basées aussi sur des couples d'espèces chimiques. L' acidité et la basicité peuvent être calculées ou mesurées par la concentration des espèces chimiques en solution, qui prennent une forme acide ou base. Svante Arrhenius a mis en évidence dans les solutions aqueuses l'échange de protons entre les composés chimiques, la concentration en ion hydronium indique l'acidité du milieu comme la concentration en ion hydroxyle la basicité. Une extension de la modalité de classification à d'autres milieux solvants a été conduite par le chimiste américain Gilbert Newton Lewis .

Complexe

Un ion potassium complexé par un cryptand. Les cryptands sont une solution pour aider la dissolution de solides ioniques en solvant organique

Les complexes sont des édifices formés par un élément central et des ligands. L'élément central est souvent un métal ionisé et le complexe chargé. Ils ont une importance capitale en chimie des solutions et en catalyse.

Polymère

La structure moléculaire du Kevlar un polymère très résistant utilisé pour faire des gilets pare balles

Les polymères sont des molécules formée par la mise en chaine de petites molécule constituant le motif de base appelée monomère. Ils peuvent être naturels (cellulose ou amidon (voire protéines et ADN dans une certaine mesure), synthétiques organiques (squelette formé principalement d'atomes de carbone comme pour le polyéthylène par exemple) ou minéraux (silicones). Ils sont l'un des domaines ou il y a le plus de progrès en chimie en ce moment.

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Olivier

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