Chimie

La chimie est une science de la nature qui étudie la matière et ses transformations, et plus précisément les atomes, les molécules, les réactions chimiques et les forces qui favorisent les réactions chimiques.

Chimie

Partie de	Sciences physiques
Pratiqué par	Chimiste, chemistry student (d)
Champs	Chimie organique chimie physique chimie inorganique chimie numérique chimie théorique biochimie chimie analytique chimie alimentaire chimie environnementale chimie macromoléculaire
Objets	Composé chimique groupe de substances chimiques (d) élément chimique substance chimique
Histoire	Histoire de la chimie

Structure chimique de l'ADN.

Présentation générale

La chimie porte sur les éléments suivants :

• les éléments chimiques à l'état libre, atomes ou ions atomiques. Elle étudie également leurs associations par liaisons chimiques qui engendrent notamment des composés moléculaires stables ou des intermédiaires plus ou moins instables. Ces entités de matière peuvent être caractérisées par une identité reliée à des caractéristiques quantiques et des propriétés précises ;
• les processus qui changent ou modifient l'identité de ces particules ou molécules de matière, dénommés réaction chimique, transformation, interaction, etc. ;
• les mécanismes réactionnels intervenant dans les processus chimiques ou les équilibres physiques entre deux formes, qui permettent d'interpréter des observations et d'envisager de nouvelles réactions ;
• les phénomènes fondamentaux observables en rapport avec les forces de la nature qui jouent un rôle chimique, favorisant les réactions ou synthèses, addition, combinaison ou décomposition, séparation de phases ou extraction. L'analyse permet de découvrir les compositions, le marquage sélectif ouvre la voie à un schéma réactionnel cohérent dans des mélanges complexes.

La taille des entités chimiques varie de simples atomes ou molécules nanométriques aux édifices moléculaires de plusieurs dizaines de milliers d'atomes dans les macromolécules, l'ADN ou protéine de la matière vivante (infra)micrométrique, jusqu'à des dimensions parfois macroscopiques des cristaux. En incluant l'électron libre (qui intervient dans les réactions radicalaires), les dimensions de principaux domaines d'application se situent dans son ensemble entre le femtomètre (10⁻¹⁵ m) et le micromètre (10⁻⁶ m).

L'étude du monde à l'échelle moléculaire soumise paradoxalement à des lois singulières, comme le prouvent les récents développements nanotechnologiques, permet de mieux comprendre les détails de notre monde macroscopique. La chimie est qualifiée de « science centrale » en raison des relations étroites qu'elle possède avec la biologie et la physique. Et elle a évidemment des relations avec les champs d'applications variés, tels que la médecine, la pharmacie, l'informatique et la science des matériaux, sans oublier des domaines appliqués tels que le génie des procédés et toutes les activités de formulation.

La physique, et surtout son instrumentation, est devenue hégémonique après 1950 dans le champ de la science de la nature. Les avancées en physique ont surtout refondé en partie la chimie physique et la chimie inorganique. La chimie organique, par l'intermédiaire de la biochimie, a partagé des recherches valorisant la biologie. Mais la chimie n'en garde pas moins une place incontournable et légitime dans le champ des sciences de la nature : elle conduit à de nouveaux produits, de nouveaux composés, découvre ou invente des structures moléculaires simples ou complexes qui bénéficient de façon extraordinaire à la recherche physique ou biologique. Enfin l'héritage cohérent que les chimistes défenseurs marginaux des structures atomiques ont légué aux acteurs de la révolution des conceptions physiciennes au début du XX^e siècle ne doit pas être sous-estimé.

Tubes à essai contenant des solutions et des précipités.

La combustion : exemple d'une réaction chimique complexe.

Étymologie

Trois étymologies sont fréquemment citées^{[Par qui ?]}, 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 racine grecque se lie à χυμεία, khumeia, « mélange de liquides » (χυμός, khumos, « suc, jus ») ;
• enfin, le mot « chimie » proviendrait de l'arabe al kemi, الكيمياء (littéralement la kemia, la « chimie »), venant du grec χεμεία / khemeía^[Quoi ?], « magie noire »^{[réf. nécessaire]}, mot lui-même venant de l'égyptien ancien kem qui désigne la couleur noire.

Histoire

Antiquité et Moyen-Âge

Schéma de distillation au laboratoire.
La distillation fractionnée sert à séparer des corps chimiques de différentes volatilités. Le recueil méticuleux de phases vapeur semble l'une des plus anciennes opérations chimiques connues.

L'art d'employer ou de trier, préparer, purifier, 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, 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 des transports sédimentaires, la maîtrise progressive des métaux et des terres, les Égyptiens de l'Antiquité connaissent beaucoup de choses. Parmi elles, 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, etc. Plus encore que les huiles à onction ou les bains d'eaux ou de boues relaxants ou guérisseurs, la chimie se présente comme 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'Amon, conservatoire des fumures azotées et de la chimie ammoniacale antique.

Signes alchimiques des sept métaux : Étain (Jupiter), Plomb (Saturne), Or (Apollon, soleil), Soufre, Mercure, Argent (Diane, Lune), Fer (Mars).

Les alchimistes, par Pietro Longhi, 1757

Les savants musulmans supposaient que tous les métaux provenaient de la même espèce. Ils croyaient à la possibilité de la transmutation et cherchèrent en vain dans cette perspective l'obtention de « l'al-iksir » qui prolongerait la vie.

« Dans le même temps, guidés par des préoccupations plus pratiques, ils se livraient dans leurs laboratoires à des expérimentations systématiques des corps. Disposant de tableaux indiquant les poids spécifiques, ils pouvaient en les pesant, les distinguer, les reconnaître par des analyses sommaires et, quelquefois même les reconstituer par synthèse. [...] Ils trouvèrent des teintures pour colorer les tissus, les mosaïques et les peintures, si parfaites qu'elles ont gardé leur fraîcheur millénaire. »

« Les Arabes allaient faire connaître au monde l'usage des parfums, en apprenant à extraire les parfums des fleurs. À Chapur, on distillait toutes les essences selon les techniques zoroastriennes : narcisse, lilas, violette, jasmin… Gur était réputé pour ses eaux parfumées et fabriquait des eaux de fleur d'oranger et de rose à base de rose d'Ispahan. Samarkand était célèbre par son parfum de basilic, Sikr par son ambre. Le musc du Tibet, le Nénuphar d'Albanie, la Rose de Perse demeurent des parfums aussi prestigieux que légendaires. »

« En mélangeant la soude (Al-qali) avec le suif ou l'huile, les Arabes fabriquèrent les premiers savons et créèrent une des plus magnifiques industries de Bagdad, qui devait s'étendre rapidement sur l'Égypte, la Syrie, La Tunisie et l'Espagne musulmane. L'islam avait fait si bien que le goût du bien-être gagna toutes les classes de la société et que la production ne suffit plus à la consommation. Le besoin d'inventer l'industrie des succédanés ou ersatz se fit sentir à ce moment-là » »

Les 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 hermétiques, a promu et malaxé ses bribes de savoirs dispersés. Incontestablement, les premiers textes datés tardivement du I^er siècle et II^e siècle après Jésus-Christ comportent à l'exemple de l'alchimie médiévale la plus ésotérique, une partie mystique et une partie opératoire. La religiosité hellénistique a ainsi légué aussi bien le bain-marie, de Marie la Juive que l'abscons patronage d'Hermès Trismégiste, divinité qui prétendait expliquer à la fois le mouvement et la stabilité de toute chose humaine, terrestre ou céleste.

De l'alchimie pré-scientifique à la chimie scientifique

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 savoir-faire sont souvent segmentés à l'extrême. Parfois, il est amélioré dans le monde paysan, artisan ou minier avant de devenir une science expérimentale, la chimie, au cours des troisième et quatrième décennies du XVII^e siècle.

Au même titre que la physique, l'essor de la pensée et de la modélisation mécanistes, font naître la chimie sous forme de science expérimentale et descriptive. La chimie reste essentiellement qualitative et bute sur le retour incessant des croyances écartées.

Les alchimistes ont subsisté jusqu'en 1850. Ils poursuivaient la quête de la pierre philosophale et 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. La première est de nature scientifique alors que la seconde représente un ensemble de croyances non-scientifiques.

Marie-Anne Pierrette Paulze, collaboratrice d'Antoine Lavoisier.

La chimie a connu une avancée énorme avec Antoine Lavoisier qui l'a promue au rang de science exacte. Lavoisier reste dans l'Histoire comme celui qui a découvert la combustion par le dioxygène (1775). Pour le philosophe Thomas Samuel Kuhn, il s'agit d'une révolution scientifique majeure, qui a donné naissance à la chimie moderne.

Marie-Anne Pierrette Paulze collabore à l'œuvre scientifique de Lavoisier (son mari), notamment le Traité élémentaire de chimie (1789). À partir de 1777, elle devient rapidement une collaboratrice indispensable. Le couple se lève à 5 heures et travaille dans le laboratoire de 6 à 9 heures et de 19 à 21 heures. Son écriture apparaît fréquemment dans les registres de laboratoire, mêlée à celle d’Antoine Lavoisier et de ses collaborateurs.

Représentations de l'atome et de la molécule

John Dalton à son modeste bureau de laboratoire mancunien.

À la suite de Van Helmont, les premiers chimistes maîtrisent déjà la notion de gaz, tiennent compte du facteur de la température et parviennent à expliquer sommairement la pression de vapeur d'un corps et les mélanges miscibles des fluides. John Dalton, a le premier essayé de donner une définition moderne de la notion d'atome. L'atome constitue 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'il dénomme molécules intégrantes ou constituantes.

L'obstination de nombreux chimistes, tel Berzelius en pionnier de l'électrovalence dès 1812, a servi pour réaffirmer la possibilité d'une modélisation à la fois mécaniste et géométrique par le biais d'une architecture atomique. Auguste Laurent, proposant pour des séries homologues de molécules organiques un même squelette constitué d'atomes, était dénigré par les maîtres des laboratoires. Mais malgré l'influence des équivalentistes, le revirement s'opère. Ce dernier est porté par la reconnaissance des succès de l'électrochimie préparative depuis Humphry Davy et Michael Faraday et la volonté de corréler quantitativement nombre d'espèces chimiques et masse d'un corps pur.

Pierre et Marie Curie dans leur laboratoire de fortune de l’École municipale de physique et de chimie industrielles, vers 1906.

Représentation de l'atome d'oxygène selon le modèle de Bohr : autour du noyau, les électrons en orbite.

Le congrès de Karlsruhe organisé en 1860 par les amis de Friedrich August Kekulé von Stradonitz et de Charles Adolphe Wurtz ouvre la voie à des conventions atomiques. Son influence éveille une recherche sur la classification des éléments qui débouche notamment sur les classifications périodiques de Mendeleïev et de Meyer. Elle entraîne un renouveau d'intérêt pour les molécules. 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.

Les orbitales atomiques représentées par les nuages électroniques probabilistes et modélisées à l'aide des équations de la mécanique quantique, le meilleur outil théorique actuel pour décrire le comportement des liaisons quantifiées des atomes et molécules.

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 composé de vide, son noyau, massif, très petit et positif, étant entouré d'un nuage électronique. Marie Curie obtient le prix Nobel de chimie en 1911 pour ses travaux sur le polonium et le radium.

. 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 au début de l'entre-deux-guerres sur le modèle rival d'Erwin Schrödinger renforcée par les compléments matriciels de Werner Heisenberg, l'affinement théorique de Wolfgang Pauli a déjà pris son envol. Et ce, malgré les contestations appliquées et systématiques d'Albert Einstein. Des années 1930 à notre XXI^e siècle, la mécanique quantique explique le comportement de l'atome et des molécules.

La chimie et l'identification des composés chimiques au XX^e siècle

Un spectromètre de masse.

Au XX^e siècle, l'essor des mesures physiques a facilité aux chimistes la caractérisation des composés avec lesquels ils travaillent. Auparavant, la réaction chimique et un nombre restreint de techniques physico-chimiques s'imposaient en ultime recours pour détecter ou caractériser une molécule. A partir du XXè siècle, il existe diverses méthodes de mesures. Parmi elles, la chromatographie, la spectrométrie électromagnétique (infrarouge, lumière visible ou UV), la masse, de résonance magnétique nucléaire. Sans oublier aussi d'inclure les microscopies électroniques et autres analyses par diffraction de rayons X ou par diffusion de particules et, dans des cas d'observation contrôlée sur surface plane, la microscopie par champ de force. Toutes ces possibilités ont permis une identification plus aisée. Elles offrent souvent la possibilité de remonter à la structure géométrique des molécules et de leurs assemblages et de connaître leur composition isotopique. Parfois même de « voir » par le multiplicateur instrumental la molécule, de la (dé)placer ou de suivre des réactions (photo)chimiques en temps réel de plus en plus brèves. Ces progrès physico-chimiques ont permis de grandes avancées tout particulièrement en biochimie où les édifices étudiés restent complexes et les réactions variées.

Quelques personnalités de la chimie et de la physico-chimie

Nom	Pays	Contribution	Distinctions
Svante August Arrhenius (1859-1927)	Suède	Loi d'Arrhenius	Prix Nobel de chimie 1903
Amedeo Avogadro (1776-1856)	Italie	Définition de la mole
Johann Joachim Becher (1635-1682)	Allemagne	Précurseur de la chimie scientifique
Henri Becquerel (1852-1908)	France	Découverte de la radioactivité	Prix Nobel de physique 1903
Marcellin Berthelot (1827-1907)	France	Pionnier de la thermochimie	Médaille Davy 1883
Marie Curie (1867-1934)	France	Pionnière de la radioactivité, travaux sur le polonium et le radium.	Prix Nobel de chimie de 1911
Niels Bohr (1885-1962)	Danemark	Modèle de Bohr de l'atome	Prix Nobel de physique 1922
Joannes Brønsted (1879-1947)	Danemark	Théorie acido-basique
Donald J. Cram (1919-2001)	États-Unis	Travaux en stéréochimie	Prix Nobel de chimie 1987
Emmanuelle Charpentier	France	Technique d'édition génomique CRISPR-Cas9.	Prix Nobel de chimie 2020
John Dalton (1766-1844)	Royaume-Uni	Théorie atomique
John Frederic Daniell (1790-1845)	Royaume-Uni	Pile Daniell
Jennifer Doudna	États-Unis	Technique d'édition génomique CRISPR-Cas9.	Prix Nobel de chimie 2020
Emil Fischer (1852-1919)	Allemagne	Projection de Fischer	Prix Nobel de chimie 1902
Jacobus Henricus van 't Hoff (1852-1911)	Pays-Bas	Cinétique chimique, équilibres chimiques, pression osmotique	Prix Nobel de chimie 1901
Frédéric Joliot-Curie (1900-1958) Irène Joliot-Curie (1897-1956)	France	Radioactivité artificielle	Prix Nobel de chimie 1935
Friedrich Kekulé von Stradonitz (1829-1896)	Allemagne	Structure cyclique du benzène	Médaille Copley 1885
Antoine Lavoisier (1743-1794)	France	Loi de conservation de la masse
Dmitri Mendeleïev (1834-1907)	Russie	Tableau périodique des éléments	Médaille Davy 1882
Walther Nernst (1864-1941)	Allemagne	Équation de Nernst, Troisième principe de la thermodynamique	Prix Nobel de chimie 1920
Wilhelm Ostwald (1853-1932)	Empire russe	Catalyse et équilibres chimiques, vitesse de réaction	Prix Nobel de chimie 1909
Linus Pauling (1901-1994)	États-Unis	Théories sur la nature de la liaison chimique	Médaille Davy 1947 Prix Nobel de chimie 1954
Ernest Rutherford (1871-1937)	Nouvelle-Zélande	Travaux sur la radioactivité, modèle de l'atome compact	Prix Nobel de chimie 1908

Disciplines

La chimie est divisée en plusieurs spécialités expérimentales et théoriques à l'instar de la physique et de la biologie, avec lesquelles elle partage parfois des espaces d'investigations communs ou proches. La recherche et l'enseignement en chimie sont organisés en disciplines qui peuvent partager des domaines communs :

• la biochimie qui étudie les réactions chimiques dans des milieux biologiques (cellules…) ou avec des objets biologiques (protéines…) ;
• la chimie analytique regroupe l'étude des méthodes d'analyses qualitatives ou quantitatives qui permettent de connaître la composition d'un échantillon donné ; la chromatographie et la spectroscopie en constituent ses principaux domaines ;
• la chimie des matériaux présente 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 recense la description et l'étude des composés comportant un squelette d'atomes de carbone (composés organiques) ;
• la chimie physique dont l'objet constitue 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, et les spectroscopies ;
• la chimie théorique analyse 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);
• la chimie des aliments, incluant la gastronomie moléculaire, s'intéressent respectivement aux ingrédients et aliments, ou pour la seconde, aux mécanismes des phénomènes qui surviennent lors de la production d'aliments à partir d'ingrédients.

Liste d'autres domaines spécialisés ou d'interface :

• agrochimie
• astrochimie
• catalyse homogène
• catalyse hétérogène
• carbochimie
• chimie de l'atmosphère terrestre 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 de synthèse
• chimie radicalaire
• chimie supramoléculaire
• chimie verte
• électrochimie
• génie chimique
• géochimie
• immunochimie
• microchimie
• nanotechnologie
• pétrochimie
• pharmacologie
• photochimie
• phytochimie
• topochimie
• tribologie
• sonochimie

Ces interfaces mouvantes ne facilitent pas la délimitation de la chimie.

• Avec la physique.

Bien que la frontière entre la physique et la chimie ne soit pas clairement définie, elle est considérée, généralement, comme relevant de la chimie car les phénomènes provoqués par les réactions entre les constituants de la matière entraînent 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, 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.

La frontière entre la chimie et la biologie n'est pas plus clairement définie. En effet, la délimitation n'est pas bien définie entre la biochimie et la biologie moléculaire. La biochimie constitue une sous-discipline de la chimie qui étudie les réactions chimiques dans des milieux biologiques (cellules…) ou avec des objets biologiques (protéines et autres biomolécules…). La biologie moléculaire, quant à elle regroupe la partie de la biologie qui s'intéresse à la compréhension des processus biologiques au niveau moléculaire.

• Avec la science des matériaux.

L'omniprésence de la chimie se retrouve 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 a pu se réaliser grâce aux 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^{[réf. nécessaire]}.

La langue de la recherche en chimie se présente majoritairement en anglais. Des années 1880 à la Grande Guerre, l'allemand, l'anglais et le français ont pourtant constitué des langues véhiculaires nécessaires aux savants. Mais survient l'éclipse du français dans l'entre-deux-guerres. Puis l'allemand, qui avait réussi à préserver quelques dernières revues importantes ou écrits scientifiques de référence, a cédé face à l'anglais dans les années 1990.

Structure de la matière

Élément chimique

Un élément est une entité immatérielle dénuée de propriétés physiques ou chimiques. Il constitue 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. 92 éléments naturels et 17 éléments artificiellement créés par l'homme sont répertoriés. Un élément chimique désigne abstraitement l'ensemble des atomes avec un nombre donné de protons dans leur noyau. Ce nombre s'appelle le numéro atomique. Par exemple, tous les atomes avec six protons dans leurs noyaux constituent des atomes de l'élément carbone C. Ces éléments sont rassemblés et ordonnés dans le tableau périodique des éléments.

Atome

L'atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « indivisible ») d'une espèce chimique représente une entité matérielle. L'atome 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 négative 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.

Un atome constitue la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Généralement constitué d'un noyau composé de protons et de neutrons autour desquels orbitent des électrons, sa taille caractéristique se compte en dixième de nanomètre (nm), soit 10^-10 m.

La théorie atomiste, qui soutient l'idée d'une matière composée de « grains » indivisibles (contre l'idée d'une matière indéfiniment sécable), est connue depuis l'Antiquité, et fut en particulier défendue par Démocrite, philosophe de la Grèce antique. Elle fut disputée jusqu'à la fin du XIX^e siècle ; aujourd'hui, cela ne fait l'objet d'aucune controverse. Les sciences de la matière modernes se reposent en particulier sur cette notion d'atome. L'atome n'est cependant plus considéré comme un grain de matière insécable, depuis les expériences de physique nucléaire ayant mis à jour sa structure au début du XX^e siècle.

En chimie, les atomes représentent les éléments de base. Ils constituent la matière et forment les molécules en partageant des électrons. Les atomes restent grosso modo indivisibles au cours d'une réaction chimique (en acceptant les légères exceptions que constituent les échanges des électrons périphériques).

Cependant, depuis le début du XX^e siècle, des expériences de physique nucléaire ont mis en évidence l'existence d'une structure complexe pour le noyau atomique. Les constituants de l'atome constituent des particules élémentaires.

Les plus gros atomes peuvent être vus au microscope électronique en transmission

Histoire de l'atome

Le concept d'atome est particulièrement bien admis par le grand public, pourtant, paradoxalement, les atomes ne peuvent pas être observés par des moyens optiques et seuls quelques rares physiciens manipulent des atomes isolés. L'atome représente donc un modèle essentiellement théorique. Bien que ce modèle ne soit plus aujourd'hui remis en cause, il a beaucoup évolué au cours du temps pour répondre aux exigences des nouvelles théories physiques et correspondre aux différentes expérimentations effectuées.

Isotope

Les trois isotopes de l'hydrogène, seul élément pour lequel on réserve un nom particulier à ses isotopes nettement plus massifs deutérium et tritium.

Un isotope d'une espèce atomique constitue une entité matérielle caractérisée par :

• le symbole de son élément, le nombre Z qui représente 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

Modèle éclaté simplifié de la molécule d'eau H₂O. Un atome d'oxygène arbitrairement en rouge s'est accolé deux atomes d'hydrogène arbitrairement en blanc. L'angle est respecté, mais non les tailles relatives des nuages électroniques.

Une molécule constitue un assemblage précis d'atomes, domaine défini et structuré dans l'espace et le temps par des liaisons chimiques fortes. 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.

Liaison chimique

La liaison chimique impliquant la présence d'électrons liés à un ou plusieurs noyaux explique la réalité moléculaire. 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. Cela se réalise par la 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

Soufre cristal jaune sur un minerai sicilien de l'Etna.

Un corps pur incarne un corps généralement macroscopique constitué au niveau moléculaire d'une seule espèce chimique. Sa composition chimique, son organisation sous forme de gaz, liquide, solide amorphe ou réseaux cristallins, etc., 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.

Composé chimique

Un composé chimique désigne l'espèce chimique d'un corps composé. Un corps pur est caractérisé par sa formule chimique, écriture symbolique plus ou moins complexe et détaillée, de sa composition chimique. La masse molaire d'un corps pur correspond à la masse d'un nombre d'Avogadro (6,022 × 10²³) d'ensembles correspondant à sa formule brute. Cela concerne la molécule pour les composés moléculaires, les ions constituants les solides ioniques, l'atome dans le cas des gaz rares ainsi que dans celui des métaux et des solides covalents.

Ion

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

Complexe

Un ion potassium complexé et inclus dans un cryptand. Les cryptands, représentent des molécules de synthèse comportant des cavités susceptibles de retenir et piéger un ion étranger. L'ensemble forme un cryptate, molécule complexe qui permet ainsi la dissolution de solides ioniques en solvant organique.

Les complexes sont des édifices formés par un élément central et des ligands. L'élément central, souvent un ion métallique avec un complexe pouvant être chargé. L'étude des complexes métalliques relève de la chimie organométallique ou de la chimie de coordination suivant la nature de l'atome lié au métal (respectivement, un carbone, ou un autre atome). Les complexes revêtent une grande importance en chimie des solutions, en catalyse et en chimie bioinorganique.

Quantité de matière et mole

Dans les conditions habituelles au laboratoire, le nombre d'entités chimiques participant à une réaction est très élevé : pour une masse de l'ordre de la dizaine de grammes de matière, Il se rapproche de 10²³.

Les chimistes utilisent communément une unité numérique, la mole, qui est représentée par la lettre minuscule « n ». La grandeur associée à la mole constitue la quantité de matière. Une mole d'une entité chimique précise implique l'égalité du nombre de ses particules au nombre d'Avogadro 6,02 × 10²³. Ce dernier nombre est défini par convention comme le nombre d'atomes de carbone présents dans 12 g de ¹²C, c'est-à-dire un atome de carbone contenant six neutrons et six protons.

La masse molaire M d'un corps pur moléculaire correspond à la masse d'une mole de molécules de celui-ci et s'exprime en grammes par mole (g•mol^-1). La connaissance de la formule chimique et des masses molaires atomiques permet le calcul de la masse molaire moléculaire.

Une mole de gaz parfait occupe 22,4 L dans les conditions normales de température et de pression (0 °C ou 273 K, 101,3 kPa).

Réaction chimique

Une réaction chimique constitue 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 ou un échange d'électron. 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 se présente par un mélange homogène formé par un solvant en proportion majoritaire et d'un ou plusieurs solutés dans une phase homogène. Les réactions chimiques ont souvent lieu en solution. La solubilité représente la capacité d'un corps à entrer en solution dans un milieu donné. Par exemple, un sel cristallin comme le chlorure de sodium NaCl ou sel de cuisine possède une limite de solubilité dans l'eau : 357 g·kg^-1 d'eau à 0 °C et 391 g·kg^-1 à 100 °C. Cela signifie qu'à partir de cette teneur limite, le sel précipite ou se dépose sous forme solide. Il y a alors de séparation de phase.

La miscibilité constitue la capacité d'un corps à se mélanger avec un autre en formant une seule phase. Le gaz ammoniac NH₃ se mélange facilement à température ambiante avec l'eau liquide formant l'ammoniaque, 1 kg d'eau froide saturée d'ammoniac peut contenir 899 g de NH₃. Les gaz principaux de l'air, dioxygène et diazote, sont aussi solubles en certaines proportions dans l'eau liquide. 100 g d'eau liquide à 0 °C peut contenir au maximum 4,89 cm³ du premier en solution et 2,3 cm³ du second.

Une émulsion est une dispersion d'une phase liquide à l'état de gouttelettes microscopiques ou sub-microscopiques, dans une autre phase liquide (les deux liquides n'étant pas miscibles en toutes proportions). Une suspension est une dispersion d'une phase solide finement divisée au sein d'une phase liquide. La stabilité d'une suspension ou d'une émulsion nécessite que les fines gouttelettes ou les grains en suspension soient stabilisés par des objets (molécules ou particules) amphiphiles qui se placent à l'interphase. Comme le précise le chimiste et gastronome moléculaire, Hervé This, bien des systèmes culinaires ne constituent pas des émulsions, mais des dispersions colloïdales plus ou moins complexes.

L'art, à l'origine souvent empirique, de fabriquer des dispersions colloïdales a fourni des applications en pharmaceutique comme en cuisine, par exemple pour la préparation de chocolats et glaces, de sauces ou de mayonnaises.

Oxydoréduction et électrochimie

Schéma simplifié d'une pile Volta, l'une des applications communes de l'électrochimie.

Une réaction d'oxydoréduction constitue un échange d’électrons entre différentes espèces chimiques. L'espèce qui capte les électrons est appelée « oxydant » ; celle qui les cède, « réducteur ».

Acide et base

Papier indicateur de pH, pour évaluer grossièrement l'acidité d'une solution aqueuse.

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 prend une forme acide ou basique. Svante Arrhenius a mis en évidence dans les solutions aqueuses l'échange de protons entre les composés chimiques, la concentration en ion hydronium (H₃O⁺ ou Hexp+_(aq)) indique l'acidité du milieu comme la concentration en ion hydroxyde (OH_-) la basicité. Une extension de la modalité de classification à d'autres milieux solvants a été conduite par le chimiste américain Gilbert Newton Lewis.

Synthèse chimique

Une synthèse chimique se décrit comme un enchaînement de réactions chimiques mis en œuvre de façon volontaire par un chimiste pour l'obtention d'un ou de plusieurs produits, parfois avec isolation de composés intermédiaires.

Réaliser la synthèse d’un composé chimique, permet d'obtenir ce composé à partir d’autres composés chimiques grâce à des réactions chimiques. La planification de l'enchaînement des réactions afin de maximiser l'efficacité de la synthèse (nombre d'étapes, rendement, simplicité des réactions, considérations toxicologiques et environnementales) se nomme la stratégie de synthèse.

La synthèse de Fischer de l'indole.

La chimie organique représente principalement une chimie de synthèse, on parle alors de synthèse organique. Des aspects synthétiques importants se retrouvent également en chimie inorganique et en chimie des polymères.

Chimie des polymères

Structure moléculaire du Kevlar, marque déposée de fibres aramides, formant des couches solides et résistantes au choc et à la pénétration, matière de choix pour les casques ou gilets pare-balles.

Les polymères constituent de grandes molécules ou macromolécules dont un grand nombre des plus communs est formé par la réaction en chaîne de petites molécules appelées monomères. Ces polymères de synthèse industrielle, dont la structure est fondée sur la répétition d'un motif organique, parfois linéaire, ramifié ou greffé, en réseau ou interpénétré, etc. Concernant les polymères formés par polyaddition de monomères organiques dont le site réactif constitue justement la double liaison carbone-carbone, le grand squelette plus ou moins souple formé d'atomes de carbone qui est décrit par ses configurations et longueur(s) de chaîne moyenne(s) influence les propriétés observées. Citons parmi ces polymères organiques, les polyéthylènes, les polypropylènes, les polystyrènes, les polyisoprènes, les polybutadiènes, les PVC et les polyacryliques. D'autres sortes de réactions de polymérisations existent, comme les polycondensations à l'origine des polyesters, polyamides, polycarbonates, polyuréthanes. Sans compter aussi des polymères à motifs minéraux, comme les silicones ou les polysulfures.

L'existence des macromolécules ou polymères naturels avait été pressentie par le pionnier Hermann Staudinger en 1910. Elles peuvent être à motif de glucose ou sucre chimique comme la cellulose ou l'amidon, à motif d'acides aminés comme les protéines et ADN. La chimie macromoléculaire née dans les années 1930 a constitué un domaine continûment innovateur, même au cours des dernières décennies.

Lois chimiques

Antoine Lavoisier et sa femme, principale collaboratrice en chimie.

La chimie, science expérimentale et descriptive, prenant un essor remarquable à l'époque industrielle tout en acceptant la modélisation physique et le langage mathématique là où ils semblaient pertinents, a découvert ou ouvert la voie à nombreuses lois physico-chimiques.

• Lois de structure
  • Règles de l'octet, de Hund, de Klechkowski et de Pauli qui avec d'autres règles sur la stabilité du nuage électronique permettent de prévoir la configuration électronique des atomes.
  • Théorie VSEPR ou Valence Shell Electronic Pairs Repulsion qui permet de prévoir la géométrie des molécules.
• Lois de cinétique et de thermodynamique
  • Loi d'Arrhenius qui relie la constante de vitesse d'une réaction à l'énergie d'activation et à la température.
  • Loi de Hess qui permet de déterminer les enthalpies de réaction à partir des enthalpies standards de formation.
  • Loi de Henry et loi de Raoult qui permettent de déterminer la solubilité d'un gaz dans un liquide ou la pression de vapeur d'une solution idéale.
  • Loi de Guldberg et Waage qui permet de définir l'équilibre thermodynamique d'un système réactionnel.
  • Loi expérimentale de van 't Hoff qui permet de prévoir le sens d'un déplacement d'équilibre en fonction de la température.
• Lois de conservation
  • Principe de conservation de la masse illustré par la célèbre phrase d'Antoine Lavoisier : « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme. »
  • Loi de Soddy qui illustre la conservation du nombre de charges.
• Lois de spectroscopie
  • Loi de Beer-Lambert qui relie l'absorbance d'un élément en solution à sa concentration.
  • Loi de Kasha qui décrit dans le modèle quantique la phosphorescence et la fluorescence.
• Lois d'électrochimie
  • Loi de Nernst qui relie la tension d'équilibre d'une électrode au potentiel standard du couple redox mis en jeu.
  • Loi de Kohlrausch qui permet de mesurer des conductivités de solution.
  • Loi limitée de Debye-Hückel qui permet de déterminer des coefficients d'activité.
• Lois de chimie organique
  • Règle de Markovnikov et de Zaïtsev qui permettent de prévoir la régiosélectivité d'une réaction.
• Lois de l'équilibre chimique
  • Principe de Le Chatelier stipulant qu'un équilibre chimique se déplace dans le sens opposé à une perturbation de cet équilibre.

Méthode

Chimie expérimentale

L'aspect expérimental reste central en chimie, ceci aussi bien du point de vue historique que pour la pratique actuelle de cette science ainsi que de son enseignement. Les activités en chimie expérimentale peuvent se résumer essentiellement en quatre fonctions dont les contours exacts dépendent du contexte dans lequel elles sont réalisées (enseignement, recherche, industrie dans un certain domaine spécifique de la chimie) :

• extraire, c'est-à-dire séparer sélectivement un ou plusieurs composés d'un mélange sur la base de leurs propriétés chimiques ou physiques ;
• purifier, c'est-à-dire isoler une substance sélectionnée des autres composés d'un mélange, considérés comme impuretés. L'extraction et la purification sont apparentées ;
• synthétiser, c'est-à-dire mettre en œuvre un ensemble de réactions chimiques en vue d'obtenir un ou plusieurs produits ;
• analyser, c'est-à-dire reconnaître et caractériser des substances connues ou inconnues.

Recherche scientifique

Institutions ou associations nationales et sociétés professionnelles

• Académie royale des sciences de Suède
• Agence européenne des produits chimiques
• American Chemical Society
• American Society for Neurochemistry (en)
• Chemical Institute of Canada (en)
• Royal Australian Chemical Institute (en)
• Royal Netherlands Chemical Society (en)
• Royal Society of Chemistry
• Société chimique de France (1983-2009 : Société française de chimie)
• Société suisse de Chimie
• Society of Chemical Industry
• Union internationale de chimie pure et appliquée (IUPAC en anglais)
• World Association of Theoretical and Computational Chemists
• Liste de sociétés chimiques
• Chemistry Europe
• Groupe français des polymères

Prix

• Médaille Davy, décernée par la Royal Society depuis 1877
• Prix Nobel de chimie, décerné par l'Académie royale des sciences de Suède depuis 1901
• Prix Hudson, décerné par l'American Chemical Society depuis 1946
• Médaille Leverhulme, décernée par la Royal Society depuis 1960
• Prix de science macromoléculaire et de génie, décerné par l'Institut de chimie du Canada depuis 1971
• Prix Wolf de chimie, décerné par la fondation Wolf en Israël depuis 1978

• Médaille Lavoisier, décernée par la Société chimique de France

Enseignement

Une salle de chimie : les paillasses équipées facilitent manipulations et expériences, plus fonctionnelles que des tables de cours.

Le laboratoire, souvent le meilleur endroit de formation à cette science expérimentale, nécessite des moyens coûteux, une lourde surveillance et une organisation souvent disproportionnée pour un usage souvent trivial.

France

La chimie est introduite dès le Cycle 3 (CM1, CM2, 6e) dans le cadre de l'enseignement des Sciences expérimentales et Technologies (B.O. 2023). Ces premières notions (par exemple unités de mesure, mélanges, solutions, les différents états de la matière et les changements d'états...) sont introduites dans le cadre d'activités essentiellement expérimentales et de résolution de problèmes concrets, issus pour la plupart de la vie quotidienne, en lien avec les autres matières de la formation (Sciences de la Vie et de la Terre, Physique, Technologie, Informatique...). Ici le but n'est pas forcément l'accumulation de connaissances, mais plutôt l'initiation à la résolution de problèmes et l'éveil de la curiosité de l'élève, celui-ci étant en général confronté à une situation concrète, en autonomie, à partir de supports variés (manuels, expériences menées en classe ou à la maison, documents audio-vidéo, logiciels, animations interactives...). Le choix des expériences réalisées est laissé à la discrétion de l'enseignant, ainsi que le contenu exact des séquences.

La chimie est ensuite enseignée au collège en même temps que la physique dès la sixième à raison d'une heure et demie en moyenne, par semaine, et indépendamment des autres matières scientifiques et techniques (Sciences de la Vie et de la Terre et Technologie).

En lycée général et technologique, les élèves commencent en seconde par trois heures de physique-chimie par semaine, dont généralement une heure et demie de travaux pratiques. La poursuite de l'enseignement de la physique-chimie dépend du choix d'orientation des élèves : pour la filière générale : le choix d'une spécialité physique-chimie permet d'obtenir un enseignement de 4h par semaine dont généralement 2h de TP, ensuite, si l'élève continue la spécialité, il passera à 6h de physique-chimie par semaine dont généralement 2h de TP. Par ailleurs, tous les élèves de première et terminale générale suivent un enseignement scientifique de 2h de physique-chimie et sciences de la Vie et de la Terre. Pour les filières technologiques, les élèves ont un enseignement de chimie en STI2D, STD2A, ST2S, STAV et en STL où l'horaire dédié à la chimie est le plus important.

Enfin, la chimie peut être étudiée après le baccalauréat en CPGE scientifique, notamment en PCSIpuis poursuivre en PC, en UFR de chimie ou de sciences (université), en IUT de chimie (université) ou en école de chimie. De nombreuses écoles d'ingénieurs dans le domaine de la chimie sont regroupées au sein de la fédération Gay-Lussac.

Québec

En 2009 au Québec, les cours de chimie et de physique constituent des options que peut prendre l'élève de cinquième secondaire. Cela pousse plus loin le cours de « sciences et technologie » qu'il a été obligé de suivre durant les dernières années de son secondaire. En temps normal, pour être admis dans les cours de chimie et de physique de cinquième secondaire, les élèves doivent avoir suivi avec succès le cours de « sciences et technologie de l'environnement » en quatrième secondaire. Les options de chimie et de physique servent comme critère d'admission dans plusieurs programmes du cégep comme les cours de sciences pures et appliquées, de sciences de la nature et de sciences de la santé.

Suisse

En 2009 en Suisse, la chimie est enseignée au gymnase dès la dixième année de scolarité. Les universités de Bâle, de Genève, de Berne, de Fribourg et de Zurich forment des chimistes et les écoles polytechniques, comme l'École polytechnique fédérale de Lausanne, des ingénieurs chimistes et des chimistes.

Industrie

Schéma d'une cellule d'électrolyse en bain minéral fondu pour la synthèse de l'aluminium.

Médicaments conditionnés en pastilles ou pilules.

Pigment bleu 28 en poudre. Les colorants, un des secteurs industriels à haut profit de la fin du XIX^e siècle.

L'industrie chimique se développe continûment à la fin du Siècle des Lumières. Si la métallurgie n'est pas oubliée, le progrès reste partout observable. Le fer-blanc devient un produit commun entre 1770 et 1780. Après 1780, en plus des métaux, elle mêle des fabrications millénaires à des innovations récentes. Ces fabrications constituent les acides et la « soude », l'ammoniac, le dichlore et les chlorures décolorants, le phosphore et ses dérivés, les savons et acides gras, le dihydrogène, l'« éther », l'éthylène, l'alcool de vin, l'acide acétique. À tout cela s'ajoute surtout de nombreux sels et une multitude de dérivés organiques et minéraux préparés ou recueillis dans un cadre traditionnel.

Elle prend un essor prodigieux au XIX^e siècle et participe pleinement aux fortes mutations de la révolution industrielle. Le gaz d'éclairage, produit de la distillation de la houille ou charbon gras, lance l'immense essor de la carbochimie. La découverte de métaux, leurs préparations au laboratoire, puis au stade industriel, comme l'aluminium et les métaux alcalins et alcalino-terreux, témoignent de la vigueur de la science très proche de l'industrie.

En 1981, usines et laboratoires fabriquent déjà dans le monde plus de 100 000 composés, mettant en œuvre des centaines de réactions chimiques types. Chercheurs et institutions savantes décrivent et référencent les procédés, réactions et molécules. En 2011 103 000 substances différentes sont commercialisées au niveau de la Communauté économique européenne, dont 10 000 en quantités supérieures à 10 t/an et 20 000 en quantités comprises entre 1 et 10 t/an. L'ère industrielle a vu la production mondiale de substances chimiques passer d'un million de tonnes en 1930 à 400 millions de tonnes en 2009.

L'industrie chimique représente une part importante de l'activité économique des grands pays industriels au XX^e siècle. Dans les années 1970, elle intéresse au sens large la moitié du capital industriel mondial. La variété du matériel et des technologies qu'elle utilise reste incroyablement vaste, comme l'indique une visite au pas de course des exposants pendant les jours de l'Achema à Francfort.

Parmi les applications de la chimie, citons les secteurs suivants :

• métallurgie :
  • métallurgie qui transforme les minerais en métaux et en alliages, fonderies métalliques ;
  • métallurgie de spécialités, silicium, matériaux semi-conducteurs ;
  • aimants, conducteurs et matériaux pour turbines ;
• électrochimie :
  • piles, batteries, électrochimie appliquée ;
  • traitement de surface, galvanoplastie ;
• matériaux :
  • plâtre, chaux, ciments et mortiers ;
  • matériaux réfractaires et technologie des fours ;
  • verres, argiles et céramiques, faïences et porcelaine ;
  • pigments et charges minérales, émaillerie ;
• industrie du bois papier et cellulose, couchage du papier ;
• raffinage du sucre ;
• chimie organique :
  • acides gras, corps gras et savons ;
  • chimie des substances naturelles, chimie médicale et pharmaceutique ;
  • parfums, huiles essentielles, produits cosmétiques ;
  • engrais, chimie agricole, explosifs ;
  • ligneux, bois, charbons et pétroles, combustibles, mais aussi matières premières pour la carbochimie et la pétrochimie. Ci-dessous, souvent présente en tout ou partie :
    • lubrifiants, graisses, produits à propriétés tribologiques ;
    • colorants, intermédiaires de réactions photochimiques ;
    • macromolécules, polymères, plastiques (matériaux thermoplastiques et thermodurcissables) ;
• peinture, vernis :
  • traitement de fibres textiles, apprêt et teinture ;
  • détergents, agents de surface, produits décapants ou de nettoiement, adoucissants des eaux ;
  • produits phytosanitaires, insecticides, herbicides ;
  • médicaments, antibiotiques.

Cette industrie peut se scinder en deux grands types :

• la synthèse de produits organiques à partir du pétrole par exemple, celle de l'acide acétique, du méthanol, d'oléfines comme l'éthylène, le propylène, etc. ;
• la chimie minérale avec les gaz industriels, les acides et les bases, les sels, etc.

L'ampleur de la production chimique caractérise la « chimie lourde » ou bulk chemistry avec ses procédés automatisés et ses énormes masses traitées ou extraites. La chimie fine se limite à des quantités restreintes de composés, souvent à haute valeur ajoutée pour la pharmacie, la parfumerie et la cosmétique ainsi que dans de nombreux domaines ciblés de haute technologie ou nanomatériaux.

La chimie a permis d'accéder à de nouveaux matériaux, métaux, plastiques, ou céramiques qui trouvent des applications importantes dans notre vie la plus quotidienne. Les progrès chimiques ont permis de synthétiser directement certains médicaments au lieu de les extraire des plantes.

Aspects et conséquences sociaux

La chimie œuvre partout dans la nature, les corps vivants, les choses de la vie quotidienne sans que l'observateur attentif et disposant de puissants multiplicateurs sensoriels puisse correctement l'imaginer ou le modéliser. Un chimiste représente dès l'origine un expert des bilans matière et énergie et il sait intuitivement qu'il devrait prendre en compte tous les milieux et les acteurs microbiologiques, végétaux, animaux et humains. Lui en laisse-t-on les moyens ?

Impact social

Eaux du Rio Tinto acides et colorées par des rejets miniers.

Citons quelques applications. D'abord la mesure. L'analyse précise de solutions diluées dans un solvant, contenant des molécules solubles plus ou moins complexes, constitue le fruit de longues mises au point analytiques, aujourd'hui très vite réalisées et banales, comme en chimie des solutions aqueuses. Pensons aux analyses banalisées de l'eau du robinet reconnue potable ou des eaux minérales du commerce. Les (bio)chimistes spécialistes des eaux présente un rôle de surveillance des eaux naturelles et de leurs qualités ou toxicités éventuelles. Le recours à la désinfection chimique de l'eau du robinet avant consommation pourrait être modéré en réalisant des progrès substantiels^{[réf. nécessaire]}. En fin d'usage, la maîtrise des procédés chimiques et biologiques permet le traitement des eaux usées dans les stations d'épuration.

Ensuite l'usage. La chimie la plus simple peut commencer avec la fabrication et l'usage du sel, nécessaire à l'alimentation et capital pour les vieux procédés de conservation des aliments. Aujourd'hui, les produits de l'industrie agroalimentaire ont recours à une gamme plus variée de conservateurs, agents de conservation ou agents nutritifs, additifs alimentaires comme les colorants, les arômes artificiels et les édulcorants.

Résidus et déchets de consommation flottants.

Des emballages alimentaires à la préservation des récoltes, une connaissance raisonnée des matériaux et des aliments permet d'éviter le gaspillage et les déperditions tout en préservant les qualités et propriétés nutritionnelles des futurs aliments. Suivant l'usage, certains emballages sont biodégradables et, à l'aide du tri sélectif après utilisation, ils sont transformés et revalorisés grâce à des procédés chimiques de recyclage ou une combustion ultime qui permet de ne pas gaspiller l'énergie qu'ils recèlent.

L'agriculture a subi une mutation technologique et elle est devenue fortement dépendante d'intrants chimiques. Certainement que l'utilisation à grande échelle d'engrais chimiques, l'usage irraisonné de pesticides et d'insecticides dans des monocultures de plus en plus sensibles ou fragiles peut constituer une impasse désastreuse à long terme pour les sols. L'écologie des terres et la santé des animaux et des hommes qui y vivent ou vivront, ainsi que les tenants de l'agriculture biologique le postulent dans l'immédiat. Si l'on donne à un homme un couteau, il peut découper finement un jambon de façon à le partager avec ses amis, ou encore égorger sauvagement ses voisins perçus en ennemis. L'utilisation des technologies chimiques recèle des bienfaits potentiels ou de terribles dangers selon les usages ou les objectifs. Elle échappe autant aux chimistes qu'à l'honnête homme de la rue. Par exemple, un chimiste organicien considère comme une absurdité de brûler de l'essence dans un moteur à combustion. Pour lui cette matière de choix permet de réaliser d'autres molécules chimiques à usage varié qui, alors seulement au terme de leur usage, pourraient être décomposées et brûlées. Le gain sur une courte échelle de temps d'une famille de produits chimiques, parfois peu sophistiqués et à utilisation massive, permet d'obtenir des profits évidents. Ainsi s'obtiennent des récoltes plus abondantes en enrichissant les sols pauvres et en éliminant les insectes nuisibles, les champignons parasites, les mauvaises herbes et la faune associée. Mais qu'advient-il à longue échéance ? Après avoir provoqué l'éradication de multiples espèces d'oiseaux, l'affaiblissement des hyménoptères butineurs, la prise de conscience générale des dommages causés à l'environnement devient vitale. Les sociétés agrochimiques produisent alors de nouveaux produits plus efficaces ou plus ciblés qui peuvent soit respecter mieux l'environnement soit entraîner d'autres catastrophes parfois plus pernicieuses alors que la course au profit immédiat implique de minorer toute information alarmiste.

La chimie explique sommairement la formation du bois et des textiles naturels ou permet la synthèse de larges gammes de matières et de types de matériaux. Parmi eux se trouvent fibres synthétiques (comme le nylon, le Lycra et la fibre PET pour fabriquer des polaires), mobilier en matière plastique, etc.

Dans le domaine de la construction, la chimie a beaucoup évolué en contribuant aussi à la fabrication de matériaux, d'isolants performants, de peintures ou de vernis, de mastics, de produits d'entretien et d'ameublement. Les désagréments causés par les produits des premières générations ont été très lentement corrigés, puis les générations suivantes apportent d'autres inconvénients.

L'explosion spectaculaire de la raffinerie de Catano. Les accidents des usines chimiques peuvent causer de graves conséquences sur l'environnement.

Un nombre important d'applications chimiques ont trouvé ou trouvent encore des débouchés et usages commerciaux profitables, alors qu'une connaissance approfondie et précise des méfaits de leurs emplois ou mésusages fait défaut tant aux utilisateurs qu'au public. La chimie toxicologique constitue une parente pauvre. Alors que les grands groupes pétrochimiques se sont vantés dans les années 1970 d'apporter une sécurité écologique, les 200 000 molécules que leurs activités ont permis de confectionner ne sont véritablement connues du toxicologue qu'à 1 %. Le progrès, plus visible depuis longtemps, représente un bouleversement, un gain éhonté pour certains, une menace vitale pour les moins favorisés. Cependant, comment essayer de maîtriser et de juguler le danger sans faire confiance à la collégialité de différents chimistes, renforcées au besoin d'équipes expertes de mathématiciens, physiciens, de biologistes, etc., et à leurs éthiques de vérité scientifique ?^{[réf. nécessaire]}

Santé et environnement

La découverte et la synthèse de médicaments qui contribuent à l'augmentation de l'espérance de vie enregistrée depuis la fin de la révolution industrielle dans les pays développés sont aussi à l'actif des techniques de la chimie. Mais la médicalisation massive d'une population entraîne d'irréductibles problèmes de pollutions, car les molécules ou leurs produits sommaires de dégradations se retrouvent dans les eaux usées.

Dans le domaine « Santé-environnement », la chimie constitue une source de problème par certains polluants qu'elle crée ou contribue à diffuser dans l'environnement, en particulier les produits chimiques toxiques ou écotoxiques dont les CMR « cancérogènes, mutagènes et reprotoxiques ». Certains produits tels que médicaments, pesticides, catalyseurs ou leurs résidus perdus dans l'environnement ou présents dans l'alimentation peuvent ensuite poser des problèmes d'environnement ou de santé, en particulier avec les perturbateurs endocriniens.

Les substances chimiques incarneraient « au premier rang des accusés » la chute de la qualité des spermatozoïdes (réduite de 50 % depuis 1950) et des maladies liées à l'appareil génital à travers les perturbateurs endocriniens. Le 25 novembre 2008, le gouvernement français (à travers l'IReSP, structure de recherche créée par l'INSERM et 20 partenaires) et l'Afsset ont organisé un colloque sur le thème : « Environnement chimique, reproduction et développement de l'enfant. » Les principales matières incriminées sont les phtalates et le bisphénol A, deux additifs présents dans les matières plastiques.

Risques et réglementation

Au niveau international, la convention de Rotterdam, administrée par l'ONU (PNUD, FAO) a été adoptée par 165 pays en 1998 pour mieux assurer la santé des personnes et de l’environnement contre des dommages éventuels induits par le commerce de produits chimiques.

De nombreuses législations concernent les produits chimiques et leurs résidus, qui varient selon les pays. Des bases de données et guides sur le risque chimique existent, donc en France.

Dans la culture

Littérature

La représentation littéraire des chimistes dans de nombreuses œuvres constitue une grande différente de la réalité. Ils sont considérés comme des savants venus d'ailleurs qui vivent hors du temps. Les chimistes sont parfois présents alors en demi-sorcier, image issue de l'ancien alchimiste, qui joue avec des forces obscures qu'il ne maîtrise pas afin de rivaliser avec la nature. La chimie est souvent associée avec l'occulte alors qu'elle représente une science reconnue. On trouve un personnage chimiste dans L'Œuvre au noir de Marguerite Yourcenar.

Toutefois, il faut soustraire à ce tableau Le Système périodique de Primo Levi. Cet ouvrage littéraire italien sur le thème de la chimie comporte vingt et un chapitres qui, chacun séparément, illustrent un élément du tableau de Mendeleïev. Ces parties descriptives qui ont été conçues avec le support spatial du tableau périodique et l'art du chimiste relatent au besoin la vie professionnelle de l'écrivain. Par ailleurs chimiste spécialiste de peinture et directeur du laboratoire d'une petite unité de production à Turin, des anecdotes ou rencontres autobiographiques ou de courtes nouvelles complémentaires inventées, judicieusement choisies.

Culture populaire

Les chimistes apparaissent souvent en personnages caricaturaux de la littérature, de la bande dessinée et surtout du cinéma, à l'image du professeur Tournesol. Dans un registre comique, alliant de façon classique la chimie et l'amour, on trouve : le film Docteur Jerry et Mister Love avec Jerry Lewis (1963), et Jean Lefebvre jouant le rôle d'Eugène Ballanchon dans Le Fou du labo 4 de Jacques Besnard (1967).

Séries télévisées

La chimie est présentée, de façon plus ou moins plausible, dans plusieurs séries télévisées comme ressort scénaristique pour tirer le protagoniste de situation délicate en fabriquant des gaz toxiques, des batteries ou des bombes artisanales. Cet usage peut être du bricolage improvisé comme dans MacGyver ou prémédité par un chimiste expert comme dans Breaking Bad.

Voir aussi

Articles connexes

• Nomenclature de l'UICPA
• Nomenclature des alcanes
• Représentation des molécules
• Base de données chimiques
• Liste de biomolécules
• Liste de composés inorganiques
• Liste de composés organiques
• Liste de minéraux
• Année internationale de la chimie
• Adsorption
• alliage
• allotropie
• ampholyte
• catalyseur
• céramique
• combustion
• corrosion
• couche de valence
• Nombre d'oxydation
• équation chimique
• électronégativité
• hydrolyse
• Laboratoire
• ligand
• matière dangereuse
• matière plastique
• métal
• orbitale moléculaire
• oxydoréduction en chimie organique
• réaction chimique
• sel
• solution tampon
• stœchiométrie
• substance chimique
• tableau périodique des éléments
• valence
• verre
• zwitterion

Bibliographie

Ouvrage niveau collège

• Introduction à la chimie.
• Ludovic Miseur, La chimie.net, cours et outils didactiques de chimie.
• Pince, Robert, et Dorothée. Jost. Copain des sciences: le guide des scientifiques en herbe. Toulouse: Milan, 2018.
• Première introduction aux sciences. Paris: Larousse, 2019.
• La grande encyclopédie visuelle des sciences. Les yeux de la découverte. Paris: Gallimard jeunesse, 2021.

Ouvrage niveau lycée

• Curchod, Basile, Jérôme Gonthier, Pascal Miéville, et Julie Risse. Introduction à la chimie. Le Mont-sur-Lausanne: LEP, Loisirs et pédagogie, 2011.
• Bourqui, Fabien, et Peter Landolt. Chimie: notions fondamentales SII. Lausanne: LEP, Loisirs et pédagogie, 2010.

Ouvrage niveau premier cycle universitaire

• Arnaud, Paul, Béatrice George, Fabrice Mutelet, Isabelle Ziegler, Françoise Rouquerol, Gilberte Chambaud, et Roland Lissillour. Chimie générale: les cours de Paul Arnaud. 9e édition. Paris: Dunod, 2023.
• Bauduin, Jean-Michel, Thierry Bars, Mélanie Cousin, Yves Josse, Frédéric Legrand, Josiane Manasses, et Hélène Micheline Marie Michel. Physique-Chimie MPSI. Malakoff: Dunod, 2017.

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Liens externes

• Ressources relatives à la santé :
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  • Corée du Sud
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