Chimie

La chimie est une science de la nature qui étudie la matière et ses transformations, et plus précisément :

• 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 m) et le micromètre (10 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 puissants liens qu'elle possède avec la biologie et la physique. Ainsi qu'avec la médecine, la pharmacie, l'informatique et la science des matériaux, sans oublier des domaines appliqués tels que le génie des procédés.

La physique, et surtout son instrumentation, est devenue hégémonique après 1950 dans le champ de la science de la matière. 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 exactes : elle fournit des produits, des molécules, 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 siècle ne doit pas être sous-estimé.

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).

Liste d'autres domaines spécialisés ou d'interface :

Ces interfaces mouvantes ne facilitent pas la délimitation de la chimie. Tentons d'esquisser ses frontières.

• Avec la physique.
  Bien que la frontière entre la physique et la chimie ne soit pas clairement définie, elles 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 ?uvre 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.

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 la puissante organisation planétaire anglo-saxonne dans les années 1990.

Industrie

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 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 ?uvre 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 siècle. Dans les années 1970, elle intéresse au sens large la moitié du capital industriel mondial. La variété des matériels 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 activités chimiques, 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.