Il est souvent utile d’étudier l’histoire et l’évolution de la science et de voir surtout les étapes les plus importantes de celle-ci dans chaque spécialité. C’ est ainsi que nous allons commencer nos cours sur la chimie. D’après ce qu’on sait, la chimie a commencé avec la découverte du feu qui est essentiellement la combustion d’un réactif pour obtenir la chaleur. Plus tard différents métaux ont été découverts, donnant les noms de fer, de cuivre et de bronze à l’époque de leur découverte.
Cependant nous ne pouvons pas encore parler d’une méthode scientifique à ces moments, c’est plus en relation avec l’évolution. L’évolution est un processus visant à nous adapter au mieux à notre environnement. Ces découvertes ont été plutôt le résultat d’essais et d’erreurs. Les processus conduisant à une meilleure adaptation ont été sauvegardé tandis que les autres ont été abandonnés. Par exemple la découverte du feu a conduit à une amélioration de la vie des hommes pour des raisons évidentes, tandis que le processus n’a pas été très bien compris.
La rationalisation des procédures est d’abord observée chez les Egyptiens (fabrication de verre, de la bière et la coloration),puis les chinois (porcelaine),et les Grecs. Leucippe et Démocrite ont suggéré que la matière était composée de petites particules incassables, les atomos. Les Grecs ont également affirmé que le monde est composé de quatre éléments principaux : la terre, l’eau, l’air et le feu. Nous pouvons maintenant les comparer aux trois phases principales : solide, liquide, gaz et l’énergie
La méthode scientifique a été développée au cours du XVIe siècle. Le procédé consiste en trois étapes :
1) Observation d’un phénomène : donne des informations quantitatives et qualitatives
2) Hypothèse : tente de donner des explications possibles aux phénomènes observés
3) Expériences : rassembler de nouvelles informations sur le phénomène, de confirmer ou non les théories développées dans l’étape précédente.
Avant cela, les hommes ont décrit ce qu’ils ont vu. De ce point, les hommes essaient d’expliquer ce qu’ils voient à travers les théories.
Stoechiométrie et la détermination des masses atomiques :
L’un des pères de la chimie réelle est Lavoisier. Il est connu pour « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme » ce qui signifie que la masse totale des produits d’une réaction est égale à la masse totale des réactifs. Cette déclaration est vrai sauf pour les réactions nucléaires qui convertissent une partie de la masse en énergie.
Joseph Proust a déclaré qu’un composé chimique contient toujours exactement la même proportion d’éléments en masse. Par exemple, dans l’eau pure, la masse de l’hydrogène est toujours 1/9 de la masse de l’échantillon tandis que l’oxygène constitue le 8/9 de la masse.
Pour compléter cette loi, Dalton a observé que lors d’une réaction les masses des composés qui réagissent ensemble sont toujours dans un rapport de nombres entiers simples. Par exemple, l’oxygène (O) et le carbone (C) capable de réagir ensemble de plusieurs façons.
1g de C + 1.33g de O → 2.33g de CO
1g de C + 2.66g de O → 3.66g de CO2
pour former du monoxyde de carbone ou du dioxyde de carbone. Le rapport entre la masse d’oxygène est de 1 à 2, c’est la base de la stoechiométrie. Bertholet a protesté contre cette loi parce que l’une de ses expériences ont donné des résultats opposés. Cette expérience a impliqué un solide de CuO dans laquelle le rapport entre Cu et O n’ est ni constant ni un nombre entier simple. La raison en est que les solides peuvent avoir des imperfections. Fondamentalement, ces imperfections peuvent être vides ou remplacées par d’autres atomes. C’est pourquoi Bertholet a obtenu une formule de Cu1-xO au lieu de CuO.
Dalton a établi une théorie atomique :
1) Toute la matière est faite d’atomes. Les atomes sont indivisibles et indestructibles.
2) Tous les atomes d’un élément donné sont identiques (la masse et les propriétés). Les atomes d’éléments différents sont différents.
3) Les composés sont formés par une combinaison de deux ou plusieurs atomes. Il n’y a aucune formation de nouvel atome (sauf réactions nucléaires).
4)Une réaction chimique est un réarrangement des atomes.
La masse de chaque élément a été déterminé.Les premières œuvres ont été réalisées par Cannizzaro fondant son expérience sur un principe énoncé par Avogadro : Dans des conditions normales de température et de pression, des volumes identiques de gaz ont le même nombre de particules. En connaissant la proportion de carbone dans les différents gaz existant Cannizzaro a pu déterminer sa masse:
| Composé | Mass (g) | % de carbon | Mass de carbon (g) |
| Methane | 16 | 75 | 12 |
| Ethane | 30 | 80 | 24 |
| Propane | 40 | 82 | 36 |
La masse de C a été déterminée de cette façon. Le carbone a une masse de 12 unités de masse atomique(u). Consécutivement la masse d’oxygène (16) a été déterminée à partir de dioxyde de carbone (CO2) et ainsi de suite. Initialement certaines erreurs se sont produites, généralement en raison d’éléments avec une même masse. Par exemple, on sait que 2 g de H réagit avec 16 g de O pour former 18 g d’eau. Considérant la relation simple H a une masse de 1u (ce qui est exact) mais O aurait une masse de 8 u.
Nombre de moles et nombre d’ Avogadro
La mole est l’une des sept unités du Système international (unités de SI) : kg pour la masse, le mètre pour la longueur, la seconde pour le temps, Kelvin pour la température, ampère pour le courant électrique, candela pour l’intensité lumineuse et la mole pour le montant de substance. Le symbole de mole est mol.
Pour en revenir à Avogadro, l’un des nombres les plus importants dans la chimie, mais presque jamais utilisé est le nombre d’Avogadro (NA). Comme les atomes sont incassables, il ya évidemment plusieurs atomes dans 12g de C. Une mole exprime le nombre d’atomes de carbone dans 12 g de carbone.
MC = NA.mC
Cette relation est valable pour n’ importe quel élément i. Mi est la masse molaire du i, c’ est-à-dire la masse d’une mole de l’élément i. Ses unités sont g / mol (ou g mol-1). mi est la masse d’un atome de l’élément i. Dans le cas du carbone, MC = 12 g mol-1. mC étant une masse, unité NA est mol-1. La valeur de NA a été initialement déterminée par Johann Josef Loschmidt qui a calculé le nombre de particules dans un volume donné de gaz. La précision de la mesure était perfectible et il ya maintenant des expériences qui donnent des résultats plus précis que cette méthode.
NA= 6.02214129(27)×1023 mol−1
Nous-mêmes et notre environnement sont donc remplis par un nombre étonnamment grand d’atomes qui interagissent ensemble pour former la matière, de l’air, des liquides et surtout la vie. L’idée que les molécules de la vie pourraient être fabriqués n’a pas été acceptée avant le XIXe siècle ( Friedrich Wöhler)