La chimie en contexte
Tout au long de l'histoire humaine, l'esprit humain a cherché à transformer la matière en objets plus utiles. Nos ancêtres de l'âge de pierre taillaient des morceaux de silex pour en faire des outils pratiques et sculptaient le bois pour créer des statues et des jouets. Ces efforts consistaient à modifier la forme d'une chose sans en changer la substance même. Mais à mesure que nos connaissances progressaient, les populations ont commencé à modifier également la composition des choses : l'argile était transformée en poterie, les peaux étaient tannées pour la confection de vêtements, les minerais de cuivre devenaient des outils et des armes, et le grain se transformait en pain. Les humains ont véritablement commencé la chimie dès qu'ils ont appris à maîtriser le feu pour la cuisine, la poterie et la fusion des métaux. Par la suite, ils ont commencé à isoler et utiliser des formes particulières de matière. Divers médicaments comme l'aloès, la myrrhe et l'opium ont été extraits de plantes. Des colorants, tels que l'indigo et la pourpre de Tyr, étaient tirés de matières végétales et animales. Des métaux ont été combinés pour créer des alliages — en mélangeant le cuivre et l'étain pour fabriquer du bronze, par exemple — et des méthodes de fusion plus sophistiquées ont permis de produire du fer. Les alcalis étaient extraits des cendres, et les savons étaient fabriqués en mélangeant ces alcalis avec des graisses. L'alcool était produit par fermentation et purifié par distillation. Les tentatives pour comprendre le comportement de la matière remontent à plus de 2500 ans. Dès le VIe siècle av. J.-C., des philosophes grecs discutaient d'un système où l'eau était la base de toute chose. Vous avez peut-être entendu parler du postulat grec selon lequel la matière est composée de quatre éléments : la terre, l'air, le feu et l'eau. Plus tard, un mélange de technologies chimiques et de spéculations philosophiques s'est propagé depuis l'Égypte, la Chine et l'est de la Méditerranée grâce aux alchimistes, qui s'efforçaient de transformer les « métaux vils » comme le plomb en « métaux nobles » comme l'or, et de créer des élixirs pour guérir les maladies et prolonger la vie.
STEM : Science, Technologie, Ingénierie et Mathématiques
Discussion sur la chimie en tant que science centrale.
La chimie est parfois appelée « la science centrale » parce qu'elle est connectée à un immense éventail d'autres disciplines STEM (le sigle regroupant les sciences, la technologie, l'ingénierie et les mathématiques). La chimie et le langage des chimistes jouent un rôle vital en biologie, en médecine, en science des matériaux, en criminalistique, en sciences de l'environnement et dans de nombreux autres domaines.
Les principes de base de la physique sont essentiels pour comprendre de nombreux aspects de la chimie, et il existe un chevauchement massif entre de nombreuses sous-disciplines au sein de ces deux domaines, comme la physique chimique et la chimie nucléaire. Les mathématiques, l'informatique et la théorie de l'information fournissent des outils cruciaux qui nous aident à calculer, interpréter, décrire et, de manière générale, à donner un sens au monde chimique.
La biologie et la chimie s'unissent dans la biochimie, qui est cruciale pour comprendre les nombreux facteurs et processus complexes qui maintiennent les organismes vivants en vie. Le génie chimique, la science des matériaux et la nanotechnologie combinent les principes chimiques et les découvertes empiriques pour produire des substances utiles, allant de l'essence aux textiles, en passant par l'électronique.
L'agriculture, la science alimentaire, la science vétérinaire et l'œnologie aident à nourrir la population mondiale. La médecine, la pharmacologie, la biotechnologie et la botanique identifient et produisent des substances qui nous maintiennent en bonne santé. Les sciences de l'environnement, la géologie, l'océanographie et les sciences de l'atmosphère utilisent de nombreux concepts chimiques pour nous aider à mieux comprendre et protéger notre monde physique. Même en astronomie et en cosmologie, les idées chimiques sont utilisées pour comprendre l'univers.
Quels sont les changements de la matière essentiels à la vie quotidienne ? La digestion et l'assimilation des aliments, la fabrication de polymères pour les vêtements, les récipients, les ustensiles de cuisine et les cartes de crédit, ainsi que le raffinage du pétrole brut en essence ne sont que quelques exemples.
Tout au long de ce cours, vous découvrirez de nombreux exemples de changements dans la composition et la structure de la matière, comment classer ces changements, ce qui les a provoqués, les variations d'énergie qui les accompagnent, ainsi que les principes et les lois impliqués.
En apprenant ces notions, vous étudierez la chimie — l'étude de la composition, des propriétés et des interactions de la matière. La pratique de la chimie ne se limite pas aux livres ou aux laboratoires : elle se manifeste chaque fois que quelqu'un est impliqué dans des transformations de la matière ou dans des conditions susceptibles d'entraîner ces transformations.
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Le Fermier
C'est ma ferme
C'est le temps de la récolte
C'est la période de l'impôt
Le lendemain a montré que les dieux m'avaient oublié
Mon fils s'est précipité à la ville pour chercher un antidote
J'ai été sauvé
Le lendemain, j'ai vendu la grande quantité de blé récoltée
L'homme au nom extraordinaire d'« Agronome » est arrivé à ma ferme le jour suivant
J'ai été surpris par une visite de l'agronome dans une étrange voiture
Nous avons donc décidé de préparer les affaires de notre fils pour le voyage avec l'agronome
Le fils du fermier est arrivé en ville avec l'agronome
Le premier arrêt fut un endroit qu'il appelait « alma mater », mais son vrai nom était l'université futuriste
Il m'a emmené à la chaire de mycologie (quoi que cela signifie)
Je me souviens du docteur qui a donné l'antidote pour mon père
Puis il y a eu plusieurs visites chez leurs amis, qu'ils appelaient des « collègues »
Ainsi, nous avons marché de salle en salle toute la journée
Enfin, j'ai eu très faim et j'en ai parlé à mon curateur (M. l'Agronome)
Puis nous avons visité le département appelé « chimie inorganique »
Le professeur explique qu'un certain sujet est extrêmement important pour ces processus, et il l'a appelé « énergie » — quoi que cela signifie
Il y a eu plusieurs visites, et j'ai commencé à comprendre ce que cela signifiait ; mon anxiété grandissait à chaque arrêt, mais mon intérêt grandissait en même temps
Le lendemain, nous sommes repartis vers ma maison, mais j'ai demandé à visiter la forge de mon oncle
Ainsi, je me suis réveillé le matin et j'ai cru que tout cela n'était qu'un rêve, mais...
Pendant les années suivantes, j'ai consacré toute ma vie à apprendre la chimie. Merci, M. l'Agronome
Désormais, tout le reste de ce tutoriel portera sur l'apprentissage de la chimie — l'étude de ce dont la matière est faite, de son comportement et de ses interactions. Ne pensez pas que la pratique de la chimie est réservée aux vieux livres poussiéreux ou aux laboratoires sophistiqués. Elle a lieu tout le temps, dès que l'on manipule des changements dans la matière ou que l'on étudie les conditions qui provoquent ces changements.
La Méthode Scientifique
La chimie est une science basée sur l'observation et l'expérimentation. Pratiquer la chimie implique de tenter de répondre à des questions et d'expliquer des observations en fonction des lois et des théories de la chimie, en utilisant des procédures acceptées par la communauté scientifique. Il n'existe pas de voie unique pour répondre à une question ou expliquer une observation, mais chaque approche présente un aspect commun : chacune utilise des connaissances basées sur des expériences reproductibles afin de vérifier les résultats. Certaines voies impliquent une hypothèse, une explication provisoire des observations qui sert de guide pour la collecte et la vérification des informations. Nous testons une hypothèse par l'expérimentation, le calcul et/ou la comparaison avec les expériences d'autrui, puis nous l'affinons au besoin.
Certaines hypothèses sont des tentatives d'explication des comportements résumés dans les lois. Les lois de la science résument un grand nombre d'observations expérimentales et décrivent ou prédisent un aspect du monde naturel. Si une telle hypothèse s'avère capable d'expliquer un vaste ensemble de données expérimentales, elle peut atteindre le statut de théorie. Les théories scientifiques sont des explications bien étayées, complètes et testables de certains aspects particuliers de la nature. Les théories sont acceptées parce qu'elles fournissent des explications satisfaisantes, mais elles peuvent être modifiées si de nouvelles données deviennent disponibles. Le chemin de la découverte qui mène de la question et de l'observation à la loi ou à l'hypothèse, puis à la théorie, combiné à la vérification expérimentale de l'hypothèse et à toute modification nécessaire de la théorie, est appelé la méthode scientifique.
La méthode scientifique suit un processus semblable à celui illustré dans ce schéma. Tous les éléments clés y figurent, dans un ordre approximativement exact. Le progrès scientifique est rarement une voie linéaire et sans embûches : il exige une curiosité insatiable ainsi qu'une remise en question permanente des interrogations et des idées à la lumière des découvertes effectuées.
Les domaines de la chimie
Pour décrire le comportement de la matière et de l'énergie, les chimistes s'appuient sur trois domaines distincts : macroscopique, microscopique et symbolique. Ces cadres offrent différentes perspectives pour analyser les phénomènes chimiques.
Le domaine macroscopique :
Tiré du mot grec signifiant « grand », le domaine macroscopique englobe le royaume de l'expérience quotidienne. Il comprend tout ce qui est assez volumineux pour être perçu directement par les sens humains, comme la nourriture que nous consommons ou la sensation tactile d'une brise. Tant dans la vie courante qu'en laboratoire, c'est dans ce domaine que nous observons et mesurons les propriétés physiques et chimiques — telles que la densité, la solubilité et l'inflammabilité — et que nous sommes témoins des transitions visibles de la matière.
Le domaine microscopique :
Le domaine microscopique, du mot grec signifiant « petit », nécessite souvent de faire appel à l'imagination ou à une instrumentation spécialisée. Bien que certains aspects, tels que les bactéries ou la surface du graphite, puissent être observés à l'aide de microscopes traditionnels, les sujets fondamentaux de la chimie existent à une échelle bien plus réduite.
Microscopique visible : Entités telles que les virus ou les cellules qui nécessitent un grossissement pour être vues.
Submicroscopique : La plupart des entités chimiques — y compris les atomes, les molécules, les ions et les particules subatomiques (protons, neutrons et électrons) — sont trop petites pour être vues, même avec des microscopes standards.
Ce domaine se concentre sur les interactions discrètes qui régissent les changements observables, tels que l'agencement des atomes métalliques individuels dans un fil, la structure cristalline des ions de sel, ou la rupture et la formation de liaisons chimiques qui entraînent un dégagement de chaleur ou des changements de couleur.
Le domaine symbolique :
Le domaine symbolique contient le langage spécialisé utilisé pour représenter les composantes des domaines macroscopique et microscopique. Les symboles chimiques (tels que ceux utilisés dans le tableau périodique), les formules chimiques et les équations chimiques font partie du domaine symbolique, tout comme les graphiques et les dessins. Nous pouvons également considérer les calculs comme faisant partie du domaine symbolique.
Ces symboles jouent un rôle crucial en chimie car ils aident à interpréter le comportement du domaine macroscopique à travers les composantes du domaine microscopique. L'un des défis pour les étudiants en chimie est de reconnaître que les mêmes symboles peuvent représenter des choses différentes dans les domaines macroscopique et microscopique. L'une des caractéristiques qui rendent la chimie fascinante est l'utilisation d'un domaine qui doit être imaginé pour expliquer un comportement dans un domaine qui peut être observé.
L'eau, substance essentielle et ubiquitaire, constitue un excellent moyen de comprendre ces trois domaines.
Domaine macroscopique : Les observations selon lesquelles l'eau est un liquide à des températures modérées, gèle en un solide à des températures plus basses et s'évapore en un gaz à des températures plus élevées appartiennent au domaine macroscopique.
Domaine microscopique : Certaines propriétés de l'eau relèvent du domaine microscopique — ce qui ne peut être observé à l'œil nu. Cela inclut la description de l'eau comme étant composée de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène, ainsi que l'explication de la congélation et de l'ébullition en termes d'attractions entre ces molécules.
Domaine symbolique : La formule H2O, qui peut décrire l'eau au niveau macroscopique ou microscopique, est un exemple du domaine symbolique. Les abréviations (g) pour gaz, (s) pour solide et (l) pour liquide sont également symboliques.
La formule H2O symbolise : l'eau, et les notations (g), (s) et (l) symbolisent ses phases.
L'eau en phase gazeuse
L'eau en phase liquide
La glace est une phase solide de l'eau
