Histoire de la chimie - Définition
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XVIIIe siècle
Ce siècle connaîtra la multiplication des laboratoires et des publications scientifiques. Les manufactures et usines vont prendre leur essor et une multitude de nouvelles substances vont apparaître. De nouveaux thèmes d'études, comme la combustion, la calcination (transformation du calcaire en chaux) et la réduction des minerais (cassitérite en étain, galène en plomb), la respiration des végétaux... seront approfondis. la chimie va devenir une science comme en témoignent les ouvrages de Pierre Joseph Macquer éléments de chymie théorique (1749), Dictionnaire de Chymie (1766) et d'Antoine Baumé, Maître apothicaire de Paris, Chymie expérimentale et raisonnée 3 tomes (1773), avant d'attendre Lavoisier et son Traité élémentaire de chimie (1789) et la loi de conservation de la masse. L'alchimie est toujours aussi populaire et revêt même un caractère spectaculaire et mercantile (Giacomo Casanova).
Retour sur le phlogistique
Georg Ernst Stahl, qui effectue un certain nombre de travaux sur la combustion, publie Zymotechnia fundamentalis en 1697, suivi de Fundamenta Chymiae dogmatica et experimentalis en 1723. Il constate que, lorsqu'on chauffe un métal, celui-ci donne de la chaux, qui elle-même chauffée en présence de charbon, redonne le métal initial. Il en déduit que le principe combustible présent dans le métal s'échappe de celui-ci lors de sa calcination et est libéré avec la flamme. De même, le charbon de bois réduit le minerai car il contient, lui aussi, le même principe combustible, le phlogiston ou phlogistique qui doit être considéré comme un élément parmi les autres. La cendre de bois, par exemple, est du bois déphlogistiqué par combustion. Cette théorie est officiellement diffusée par Rouelle en 1742
La chimie pneumatique ou chimie des gaz
À la suite de diverses expériences sur les animaux, on se pose la question de savoir si la digestion est une opération mécanique de broyage ou une transformation chimique comme le pensent les chimistes. Stephen Hales montre en 1727 que l'air est nécessaire à la croissance des plantes par l'intermédiaire des feuilles. Il invente, pour son expérience, la cuve à eau qui sera à la base de bien des expérimentations. C'est avec ce procédé que Joseph Black observe la calcination de la chaux. En 1757, il mettra en évidence l'air fixe ( c'est le gaz sylvestre de Van Helmont ou anhydride carbonique) en montrant que l'action d'un acide sur le calcaire donne un gaz qui trouble l'eau de chaux. (Un chimiste, Joseph Jacquin, remarquera que le poids de chaux obtenu après calcination est inférieur au poids de calcaire avant chauffage…). Black note aussi que le calcaire, attaqué par un autre acide, donne lieu à un dégagement de « gaz des métaux ».
Une des limites de l’utilisation de la cuve à eau était la difficulté de mettre en évidence certains gaz plus ou moins solubles dans l’eau. Priestley, en 1792, utilise le mercure à la place de l’eau dans ses expériences sur l’air. Il obtient, en 1774, par calcination à l'aide d'une lentille du rouge de mercure (HgO), un gaz, qu’il nomme air déphlogistiqué, qui sera appelé plus tard oxygène, qui permet la respiration et entretient la combustion.
Découverte d’autres gaz
En 1765, Henry Cavendish isole l'air inflammable (hydrogène). Trois sortes d’air sont connus à l’époque de Cavendish : l’air normal ou atmosphérique, l’air des métaux (ou air inflammable car il entretient la combustion) et l’air fixe (qui, au contraire, arrête la combustion). En mesurant la densité de ces trois gaz vers 1765, Cavendish établit que l’air fixe est plus lourd que l’air atmosphérique et l’air inflammable, que Cavendish assimile au phlogistique beaucoup plus léger. Pour réaliser cette expérience, il se sert d’un eudiomètre. Daniel Rutherford découvre, en 1772, un autre gaz qu’il nomme air phlogistiqué ou air nuisible (azote). En résumé , le phlogistique est reconnu comme l’air inflammable,l’air déphlogistiqué trouble l’eau de chaux alors que l’air phlogistiqué ne la trouble pas. En 1772, Joseph Priestley isole l'air nitreux (oxyde azotique),l'air d'acide marin (gaz chlorhydrique) et l'air nitrique peroxyde d'azote et l'air vitriolique (anhydride sulfurique).
Tout ceci va rester confus et la théorie du phlogistique va subsister jusqu’à Lavoisier. Scheele découvre en 1773 l'acide marin déphlogistiqué (ou esprit de sel) en faisant agir l'acide muriatique sur la pyrolusite (dioxyde de manganèse). Ce produit, étudié par Berthollet sera ultérieurement utilisé en 1785 pour le blanchiment du linge et la production d'eau de Javel. En faisant agir de nouveau l'acide muriatique sur un mélange intime de soufre et de limaille de fer qu'il enflamme, Scheele obtient un gaz encore inconnu caractérisé par une forte odeur d'œufs pourris qu'il nomme air de soufre. En 1777, Pierre Bayen (1725 - 1798) contestera, avant Lavoisier, la théorie du phlogistique.
Les acides et les bases
Le concept d’acide prend progressivement forme au cours du XVIIIe siècle. On distingue les acides en provenance du non vivant. Ce sont : l’acide acétique ou vinaigre, l’acide sulfurique ou huile de vitriol, l’eau-forte (ou acide nitrique) obtenu à partir de salpêtre, l’acide muriatique ou esprit de sel (acide chlorhydrique) et les acides phosphorique et benzoïque (à partir du benjoin).
Certains acides commencent à être extraits du vivant ; ils sont, pour la plupart, issus des travaux de Scheele à partir de 1760. Citons, dans l’ordre chronologique, l’acide tartrique à partir du tartre (1769), l’acide urique à partir des calculs urinaires (1776), l’acide lactique à partir du lait (1780), l’acide citrique à partir du citron (1784), l’acide malique à partir des pommes (1785), l’acide gallique à partir des noix de galle (1786), l'acide oxalique à partir du sucre et de l’eau forte (1784). Il en est de même de l’acide fluorhydrique à partir d’huile de vitriol et de fluorine et de l’acide prussique obtenu par l’action de l’acide sulfurique sur un colorant, le bleu de Prusse.
En ce qui concerne les bases, nous savons que Lavoisier utilisait la potasse (ou alcali végétal) et la soude (alcali marin) qui avaient déjà été distingués par Duhamel du Monceau. Ce dernier, avec son collaborateur Jean Grosse, obtiennent la « liqueur de Frobenius » par action de l’huile de vitriol (acide sulfurique) sur l’esprit de vin (alcool éthylique). Jean Grosse met au point la technique de distillation de l’alcool en milieu sulfurique et précise les conditions d’obtention d’un produit pratiquement pur. L'ammoniac (alcali volatil) et le natron étaient également connus.
Métallurgie et chimie industrielle
De nouveaux métaux sont découverts : le cobalt par George Brandt en 1735. En 1751, Alex Frederik Cronsted découvre le nickel. Le manganèse est extrait de la pyrolusite en 1780 (Johann G. Gahn) et le molybdène est découvert en 1782. (Jacques Hjelm). La découverte du tungstène surviendra l’année suivante. En 1791,William Gregor découvre le titane et Jean gadolin l’yttrium. En 1797, Nicolas Vauquelin caractérise le chrome et le tellure est découvert en 1798 par Martin H.Klaproth.
Dans le domaine de la métallurgie, le charbon de bois est remplacé progressivement par le coke que l’on chauffe pour obtenir de l’acier à partir de la fonte. C’est à cette époque que Benjamin Hunstmann invente l’acier au creuset. En 1743, une fonderie de zinc est créée à Bristol. Les travaux de Lavoisier permettront une meilleure connaissance des métaux et des minerais qui se présentent sous la forme d’oxydes (cassitérite, hématite…) que l’on chauffe en présence de charbon comme dans les hauts-fourneaux. Le charbon joue à la fois le rôle de source de chaleur et de réducteur. Pour les sulfures, comme la blende, on effectue un grillage dans un courant d’air, de telle sorte que l’oxygène oxyde le métal alors que l’anhydride sulfureux se dégage.
Le début de la chimie industrielle est caractérisé par le procédé de fabrication d’acide sulfurique (huile de vitriol) des chambres de plomb mis au point par John Roebuck.
Antoine Lavoisier
C’est en 1765, que Antoine Lavoisier publie ses travaux sur le gypse. Ses études sur la combustion le mènent à la conclusion que l’air déphlogistiqué est de l’oxygène. Lors de la combustion, un combustible nécessite de l’oxygène alors que le résultat de la calcination est une chaux (oxyde) moins de l’oxygène. Cette nouvelle théorie du phlogistique est publiée en 1776 et approfondie en 1785. Lors de la combustion du phosphore dans l’air, Lavoisier constate la formation d’un gaz résiduel (l'azote) qu’il nomme mofette atmosphérique et qui correspond à l’air phlogistiqué caractérisé par Rutherford en 1772. Il établit que l’air atmosphérique est composé de 20% d’oxygène et de 80% de mofette.
Il précise également, dans son expérience sur la décomposition de l’eau (dont la synthèse eudiométrique sera effectuée par Cavendish), que celle-ci est un corps simple composé d’air inflammable (hydrogène) et d’oxygène. Au vu de ces résultats, il sera définitivement admis, en 1785, que ni l’air ni l’eau ne sont des éléments chimiques. L'ancienne Chymie disparaît malgré quelques erreurs comme la lumière et le calorique considérés comme éléments.
Affinités et nomenclature
Au début du siècle, on tente de comprendre comment les corps ou éléments chimiques peuvent s’attirer les uns vers les autres. Un premier début d’explication est tenté, en 1718, par Geoffroy. Les éléments connus à l’époque sont classés dans une table des différents rapports ou affinités dont l’idée sera reprise en 1761 par Christlieb Gellert, puis, la même année, par Jean-Philippe de Limbourg dans une nouvelle table des affinités chymiques. Karl Scheele effectuera également le même type de classement.
En 1787, Guyton de Morveau, Lavoisier, Berthollet et Antoine de Fourcroy publieront une méthode de nomenclature chimique, ouvrage considéré comme essentiel pour la clarification et la mise en forme des connaissances en chimie. Un tableau, résumant les 55 substances connues en six catégories, mentionnées et commentées, complète cet ouvrage divisé en deux parties : d’une part les oxydes, acides, bases, sels…et d’autre part les substances tirées des végétaux et animaux. Un dictionnaire accompagne l’ouvrage et traite des synonymes. Il faut mentionner toutefois l’absence de symboles chimiques malgré une tentative de Hassenfratz et Adet. C'est Berzelius qui introduira un peu plus tard ces symboles permettant de représenter les composés chimiques.
Deux ans plus tard, Lavoisier publiera Le Traité élémentaire de chimie, un ouvrage capital où apparaîtront nommément l’hydrogène, l’oxygène et le carbone. En 1792, Richter publie l'Art de la mesure des éléments chimiques et remarque que les rapports pondéraux d'éléments sont constants dans certaines familles chimiques et en 1794, Joseph Louis Proust établit la Loi des proportions définies.
