1.1 : La chimie en contexte

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Objectifs d'apprentissage

Décrire l'évolution historique de la chimie
Donnez des exemples de l'importance de la chimie dans la vie quotidienne
Décrire la méthode scientifique et éclairer le processus scientifique
Différencier les hypothèses, les théories et les lois
Fournissez des exemples illustrant les domaines macroscopiques, microscopiques et symboliques

Tout au long de l'histoire de l'humanité, les gens ont essayé de transformer la matière en formes plus utiles. Nos ancêtres de l'âge de pierre transformaient des morceaux de silex en outils utiles et sculptaient du bois pour fabriquer des statues et des jouets. Ces efforts impliquaient de modifier la forme d'une substance sans modifier la substance elle-même. Mais au fur et à mesure que nos connaissances augmentaient, les humains ont également commencé à modifier la composition des substances : l'argile a été convertie en poterie, les peaux ont été séchées pour fabriquer des vêtements, les minerais de cuivre ont été transformés en outils et en armes en cuivre et le grain a été transformé en pain.

Les humains ont commencé à pratiquer la chimie lorsqu'ils ont appris à contrôler le feu et à l'utiliser pour cuisiner, faire de la poterie et fondre des métaux. Par la suite, ils ont commencé à séparer et à utiliser des composants spécifiques de la matière. Divers médicaments tels que l'aloès, la myrrhe et l'opium ont été isolés à partir de plantes. Des colorants, tels que l'indigo et le violet tyrien, ont été extraits de matières végétales et animales. Les métaux ont été combinés pour former des alliages (par exemple, du cuivre et de l'étain ont été mélangés pour fabriquer du bronze) et des techniques de fusion plus élaborées ont produit du fer. Des alcalis ont été extraits des cendres et des savons ont été préparés en combinant ces alcalis avec des graisses. L'alcool a été produit par fermentation et purifié par distillation.

Les tentatives visant à comprendre le comportement de la matière remontent à plus de 2 500 ans. Dès le VIe siècle av. J.-C., les philosophes grecs ont discuté d'un système dans lequel l'eau était à la base de toutes choses. Vous avez peut-être entendu parler du postulat grec selon lequel la matière se compose de quatre éléments : la terre, l'air, le feu et l'eau. Par la suite, un amalgame de technologies chimiques et de spéculations philosophiques a été diffusé depuis l'Égypte, la Chine et la Méditerranée orientale par des alchimistes, qui se sont efforcés de transformer des « métaux de base » tels que le plomb en « métaux nobles » comme l'or, et de créer des élixirs pour guérir les maladies et prolonger la vie (Figure \(\PageIndex{1}\)).

Figure\(\PageIndex{1}\) : Cette représentation montre l'atelier d'un alchimiste vers 1580. Bien que l'alchimie ait apporté des contributions utiles à la manipulation de la matière, elle n'était pas scientifique selon les normes modernes. (source : Chemical Heritage Foundation).

De l'alchimie sont nées les avancées historiques qui ont conduit à la chimie moderne : l'isolement des médicaments de sources naturelles, la métallurgie et l'industrie des colorants. Aujourd'hui, la chimie continue d'approfondir notre compréhension et d'améliorer notre capacité à exploiter et à contrôler le comportement de la matière. Cet effort a connu un tel succès que de nombreuses personnes ne se rendent compte ni de la position centrale de la chimie parmi les sciences ni de l'importance et de l'universalité de la chimie dans la vie quotidienne.

La chimie : la science centrale

La chimie est parfois qualifiée de « science centrale » en raison de son interconnexion avec un large éventail d'autres disciplines STEM (les STEM désignent des domaines d'études dans les domaines des sciences, de la technologie, de l'ingénierie et des 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 (Figure\(\PageIndex{2}\)). Les principes de base de la physique sont essentiels pour comprendre de nombreux aspects de la chimie, et de nombreuses sous-disciplines des deux domaines se recoupent largement, telles que la physique chimique et la chimie nucléaire. Les mathématiques, l'informatique et la théorie de l'information fournissent des outils importants qui nous aident à calculer, à interpréter, à décrire et, de manière générale, à comprendre le monde chimique. La biologie et la chimie convergent vers la biochimie, qui est cruciale pour comprendre les nombreux facteurs et processus complexes qui maintiennent les organismes vivants (tels que nous) en vie. Le génie chimique, la science des matériaux et la nanotechnologie combinent des principes chimiques et des découvertes empiriques pour produire des substances utiles, allant de l'essence aux tissus en passant par l'électronique. L'agriculture, les sciences alimentaires, les sciences vétérinaires, la brasserie et la vinification contribuent à assurer la subsistance de la population mondiale sous forme de nourriture et de boisson. La médecine, la pharmacologie, la biotechnologie et la botanique identifient et produisent des substances qui nous aident à rester en bonne santé. Les sciences de l'environnement, la géologie, l'océanographie et les sciences de l'atmosphère intègrent de nombreuses idées chimiques pour nous aider à mieux comprendre et à protéger notre monde physique. Les idées chimiques sont utilisées pour aider à comprendre l'univers en astronomie et en cosmologie.

Figure\(\PageIndex{2}\) : La connaissance de la chimie est essentielle à la compréhension d'un large éventail de disciplines scientifiques. Ce diagramme ne montre que quelques-unes des interrelations entre la chimie et d'autres domaines.

Quelles sont les modifications de la matière qui sont essentielles à la vie quotidienne ? La digestion et l'assimilation des aliments, la synthèse de polymères utilisés pour fabriquer des vêtements, des récipients, des ustensiles de cuisine et des cartes de crédit, et le raffinage du pétrole brut en essence et en d'autres produits ne sont que quelques exemples. Au cours de ce cours, vous découvrirez de nombreux exemples de changements dans la composition et la structure de la matière, comment classer ces changements et comment ils se sont produits, leurs causes, les changements d'énergie qui les accompagnent, ainsi que les principes et les lois impliqués. Au fur et à mesure que vous découvrirez ces choses, vous apprendrez 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 de chimie ou aux laboratoires : elle se produit chaque fois qu'une personne est impliquée dans des changements de matière ou de conditions pouvant entraîner de tels changements.

La méthode scientifique

La chimie est une science basée sur l'observation et l'expérimentation. Faire de la chimie implique de tenter de répondre à des questions et d'expliquer les observations en termes de lois et de théories de la chimie, en utilisant des procédures acceptées par la communauté scientifique. Il n'existe pas de méthode unique pour répondre à une question ou expliquer une observation, mais il existe un aspect commun à chaque approche : chacune utilise des connaissances basées sur des expériences qui peuvent être reproduites pour vérifier les résultats. Certains itinéraires 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 expérimentation, calcul et/ou comparaison avec les expériences d'autres, puis nous l'affinons selon les besoins.

Certaines hypothèses sont des tentatives d'expliquer le comportement qui est résumé dans les lois. Les lois de la science résument un grand nombre d'observations expérimentales et décrivent ou prédisent certaines facettes du monde naturel. Si une telle hypothèse s'avère capable d'expliquer un grand nombre de données expérimentales, elle peut atteindre le statut de théorie. Les théories scientifiques sont des explications bien étayées, complètes et testables d'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 sont disponibles. La voie de découverte qui mène de la question et de l'observation à la loi ou de l'hypothèse à la théorie, combinée à la vérification expérimentale de l'hypothèse et à toute modification nécessaire de la théorie, est appelée méthode scientifique (Figure\(\PageIndex{3}\)).

Dans cet organigramme, la case d'observation et de curiosité comporte une flèche pointant vers une case intitulée Formuler une hypothèse ; faire une prédiction. Une flèche incurvée étiquetée suivant relie cette case à une case intitulée Effectuer une expérience ; effectuer d'autres observations. Une autre flèche pointe vers la case qui indique « Émettre une hypothèse de forme ; faire une prédiction ». Cette flèche est étiquetée « résultats non conformes à la prédiction ». Une autre flèche, les résultats étiquetés sont cohérents avec les points de prédiction de la case Réaliser l'expérience à une case étiquetée, contribue à l'ensemble des connaissances. Cependant, une flèche pointe également depuis les contributions à l'ensemble des connaissances vers l'hypothèse de la forme ; créez une boîte de prédiction. Cette flèche est étiquetée La poursuite des tests n'étaye pas l'hypothèse. Deux autres flèches pointent vers les contributions à l'ensemble des connaissances. Une flèche est étiquetée ; de nombreux tests supplémentaires fournissent des observations constantes. Cela conduit à ce que l'observation devienne une boîte à lois. L'autre flèche est étiquetée. Beaucoup de tests supplémentaires appuient l'hypothèse. Cette flèche mène à l'hypothèse qui devient boîte théorique.

Les domaines de la chimie

Les chimistes étudient et décrivent le comportement de la matière et de l'énergie dans trois domaines différents : macroscopique, microscopique et symbolique. Ces domaines fournissent différentes manières de considérer et de décrire le comportement chimique.

Macro est un mot grec qui signifie « grand ». Le domaine macroscopique nous est familier : il s'agit du domaine des choses de la vie quotidienne qui sont suffisamment grandes pour être détectées directement par la vue ou le toucher humains. Dans la vie quotidienne, cela inclut la nourriture que vous mangez et la brise que vous ressentez sur votre visage. Le domaine macroscopique inclut la chimie quotidienne et de laboratoire, où nous observons et mesurons les propriétés physiques et chimiques, ou les changements tels que la densité, la solubilité et l'inflammabilité.

Le domaine microscopique de la chimie est presque toujours exploré dans l'imaginaire. Micro vient également du grec et signifie « petit ». Certains aspects des domaines microscopiques sont visibles au microscope, comme une image agrandie de graphite ou de bactéries. Les virus, par exemple, sont trop petits pour être vus à l'œil nu, mais lorsque nous souffrons d'un rhume, nous nous rappelons à quel point ils sont réels.

Cependant, la plupart des sujets du domaine microscopique de la chimie, tels que les atomes et les molécules, sont trop petits pour être vus, même avec des microscopes classiques, et doivent souvent être photographiés dans leur esprit. Les autres composants du domaine microscopique incluent les ions et les électrons, les protons et les neutrons, ainsi que les liaisons chimiques, dont chacune est bien trop petite pour être vue. Ce domaine inclut les atomes métalliques individuels d'un fil, les ions qui composent un cristal de sel, les modifications des molécules individuelles qui entraînent un changement de couleur, la conversion des molécules nutritives en tissu et en énergie, et l'évolution de la chaleur lors de la création de liaisons qui maintiennent les atomes ensemble.

Le domaine symbolique contient le langage spécialisé utilisé pour représenter les composants 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 important en chimie car ils aident à interpréter le comportement du domaine macroscopique en termes de composants du domaine microscopique. L'un des défis pour les étudiants qui apprennent la chimie est de reconnaître que les mêmes symboles peuvent représenter différentes choses dans les domaines macroscopique et microscopique, et l'une des caractéristiques qui rend la chimie fascinante est l'utilisation d'un domaine qui doit être imaginé pour expliquer le comportement dans un domaine qui peut être observé.

L'eau, substance essentielle et omniprésente, est un moyen utile de comprendre les trois domaines. Les observations macroscopiques indiquent que l'eau est liquide à des températures modérées, qu'elle gèle pour former un solide à basse température et qu'elle bouille pour former un gaz à des températures plus élevées (Figure 1.1.4). Mais certaines propriétés de l'eau relèvent du domaine microscopique, ce que nous ne pouvons pas observer à l'œil nu. La description de l'eau comme étant composée de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène, ainsi que l'explication du gel et de l'ébullition en termes d'attraction entre ces molécules, relèvent de l'arène microscopique. La formule H ₂ O, 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.

Figure\(\PageIndex{4}\) : (a) L'humidité de l'air, des icebergs et de l'océan représente l'eau dans le domaine macroscopique. (b) Au niveau moléculaire (domaine microscopique), les molécules de gaz sont éloignées et désorganisées, les molécules d'eau solides sont rapprochées et organisées, et les molécules liquides sont rapprochées et désorganisées. (c) La formule H ₂ O symbolise l'eau et (g), (s) et (l) symbolisent ses phases. Notez que les nuages sont en fait composés de très petites gouttelettes d'eau liquide ou de cristaux d'eau solides ; l'eau gazeuse de notre atmosphère n'est pas visible à l'œil nu, bien qu'elle puisse être détectée sous forme d'humidité. (crédit a : modification de l'œuvre par « Gorkaazk » /Wikimedia Commons).

Concepts clés et résumé

La chimie traite de la composition, de la structure et des propriétés de la matière, ainsi que de la manière dont diverses formes de matière peuvent être interconverties. Il occupe ainsi une place centrale dans l'étude et la pratique de la science et de la technologie. Les chimistes utilisent la méthode scientifique pour réaliser des expériences, poser des hypothèses, formuler des lois et développer des théories, afin de mieux comprendre le comportement du monde naturel. Pour ce faire, ils opèrent dans les domaines macroscopique, microscopique et symbolique. Les chimistes mesurent, analysent, purifient et synthétisent une grande variété de substances importantes pour notre vie.

Lexique

chimie: étude de la composition, des propriétés et des interactions de la matière

hypothèse: explication provisoire des observations qui sert de guide pour la collecte et la vérification des informations

loi: déclaration qui résume un grand nombre d'observations expérimentales et décrit ou prédit certains aspects du monde naturel

domaine macroscopique: domaine des objets de la vie quotidienne qui sont suffisamment grands pour être perçus directement par la vue et le toucher humains

domaine microscopique: un ensemble de choses bien trop petites pour être détectées directement

méthode scientifique: voie de découverte qui mène de la question et de l'observation à la loi ou de l'hypothèse à la théorie, combinée à la vérification expérimentale de l'hypothèse et à toute modification nécessaire de la théorie

domaine symbolique: langage spécialisé utilisé pour représenter les composants des domaines macroscopique et microscopique, tels que les symboles chimiques, les formules chimiques, les équations chimiques, les graphiques, les dessins et les calculs

théorie: explication bien étayée, complète et testable d'un aspect particulier de la nature