chimie physique - chimie.

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chimie physique - chimie.
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PRÉSENTATION

chimie physique, branche de la chimie qui relie la structure chimique des composés à leurs propriétés physiques.

2

ÉTENDUE DE LA CHIMIE PHYSIQUE

Le terme chimie physique est généralement appliqué à l'étude de propriétés comme la pression de vapeur, la tension de surface, la viscosité, la densité, ainsi qu'à l'étude des aspects dits classiques du comportement des systèmes chimiques, comme
les propriétés thermiques, les équilibres, les vitesses et les mécanismes de réaction. Cette partie expérimentale de la chimie physique couvre les domaines de la thermodynamique, de la chimie des états classiques de la matière (gaz, liquide, solide),
de la chimie des solutions et des colloïdes, de la cinétique chimique et de l'électrochimie.
Dans ses aspects plus théoriques, la chimie physique tente d'expliquer les propriétés spectrales des composés dans le cadre de la théorie quantique, l'interaction de l'énergie avec la matière ( voir photochimie et spectroscopie), la nature de la liaison
chimique, les relations entre les états énergétiques des électrons au sein des atomes et des molécules et les propriétés observables (ou macroscopiques) des systèmes qui les composent ( voir physique du solide et mécanique statistique), ou encore
les mécanismes moléculaires des processus du vivant.
La chimie physique est donc une discipline d'interface. Elle s'appuie sur un socle constitué de chimie, de physique et de mathématiques pour développer ses modèles théoriques et ses outils d'analyse, qui contribuent au développement de la chimie et
de la physique, mais aussi de domaines connexes tels que la biologie moléculaire, la science des matériaux, l'électronique moléculaire, l'astrophysique ou la conservation du patrimoine.

3 HISTORIQUE
3.1 XVIIIe siècle : les origines de la chimie physique
En tant que domaine d'étude spécialisé, la chimie physique voit le jour en Europe à la fin du

XVIIIe

siècle avec les travaux d'éminents chimistes tels qu'Antoine de Lavoisier, Humphry Davy ou encore Jöns Berzelius. L'étude des processus fondamentaux

comme la combustion, la corrosion et la catalyse, ainsi que la mise en place des premières bases de la réactivité chimique et de l'analyse chimique annoncent déjà toute l'étendue de la nouvelle discipline.

3.2
Au

XIXe

XIXe

siècle : les piliers de la chimie physique

siècle, les méthodes analytiques quantitatives et qualitatives se développent dans tous les champs d'études de la chimie physique. En cinétique chimique, les physico-chimistes constatent que les réactions rapides ne sont pas forcément celles

qui vont jusqu'à leur terme. Ils réalisent que le degré d'avancement et la vitesse d'une réaction sont indépendants. Le degré d'avancement d'une réaction est déterminé par sa constante d'équilibre, concept introduit en 1864 par les chimistes
norvégiens Cato Maximilian Guldberg et Peter Waage ; tandis que la vitesse d'une réaction dépend entre autres de l'affinité entre les réactifs et de la présence d'un catalyseur.
En chimie théorique, le chimiste britannique John Dalton propose sa théorie atomique en 1803. Celle-ci est confirmée en 1811, lorsque le physicien italien Amedeo Avogadro précise la différence entre les atomes et les molécules des composés
élémentaires.
Le

XIXe

siècle voit aussi l'avènement de la thermodynamique moderne. Les concepts de chaleur, d'énergie, de travail et de température commencent à être perçus plus précisément. Parmi les précurseurs figure le physicien anglo-américain Benjamin

Thompson, qui en 1798 émet le premier l'hypothèse que la chaleur est une forme de mouvement et non une substance matérielle. En 1824, le physicien français Nicolas Carnot publie ses études sur la relation entre la chaleur et le travail, et pose
ainsi les bases fondamentales de la thermodynamique. Suivent ensuite les formulations des principes de la thermodynamique, grâce notamment aux travaux des physiciens Julius von Mayer, Rudolf Clausius, William Thomson (plus connu sous le nom
de lord Kelvin), et des physico-chimistes Josiah Gibbs et Walther Nernst qui développent une thermodynamique chimique des états d'équilibre (règle des phases, potentiel chimique, etc.). Dans le sillage de la thermodynamique se développe un
nouveau champ d'investigation scientifique pour la chimie physique : la mécanique statistique.
Autre pilier de la chimie physique, la stéréochimie (étude de l'architecture et de la conformation tridimensionnelle des molécules), qui est développée simultanément et indépendamment en 1874 par les physico-chimistes Joseph Le Bel et Jacobus
Van't Hoff (considéré également comme l'un des fondateurs de la cinétique chimique). Parallèlement à la stéréochimie, la découverte des interactions moléculaires à la même époque par Johannes van der Waals constitue un prolongement
fondamental de l'étude des gaz.
Enfin, le passage au

XXe

siècle est marqué par l'étude de l'effet de la température sur la vitesse des réactions, réalisée en 1889 par le chimiste suédois Svante August Arrhenius. Celui-ci énonce la théorie de la dissociation électrolytique, ou théorie

d'Arrhénius, et ouvre la voie au développement de l'électrochimie moderne.

3.3

XXe

siècle: la révolution quantique

Tous les domaines de la chimie physique qui ont émergé au siècle précédent progressent très rapidement au

XXe

siècle sous l'impulsion d'une industrie chimique en pleine croissance. D'importants progrès sont réalisés notamment sur la structure

atomique et la nature des liaisons chimiques (définition de la valence) par les Américains Irving Langmuir et Gilbert Lewis.
Mais c'est avec l'émergence de la théorie quantique formulée par Max Planck en 1900 que la chimie physique prend un tournant décisif dans la première moitié du

XXe

siècle. La quantification de l'énergie appliquée au modèle atomique par Niels Bohr

en 1913, puis l'introduction de la notion de fonction d'onde (expression mathématique incluant la dualité onde-corpuscule des électrons) par le physicien autrichien Erwin Schrödinger en 1926, permettent de mieux comprendre la structure des atomes

et d'approfondir la description des liaisons chimiques (via le formalisme de la mécanique quantique).
À partir de la seconde moitié du

XXe

siècle, l'application de la théorie quantique à l'ensemble des domaines de la chimie et de la physique entraîne la création de nouveaux champs d'étude tels que la physique du solide, la supraconductivité ou la

chimie supramoléculaire. Les objets d'étude des physico-chimistes évoluent : les atomes et molécules étudiés dans des états classiques (solide, liquide, gaz) cèdent leur place à des systèmes moléculaires très complexes comme les polymères, les
cristaux liquides, les colloïdes, les gels ou les aérosols. Par ailleurs, les physico-chimistes (notamment Pierre-Gilles de Gennes) s'intéressent de plus en plus aux interactions qui se produisent sur les surfaces ou aux interfaces, et qui interviennent
dans les phénomènes de l'adhérence, des frottements et de la catalyse (voir aussi propriétés de surface). Par extension, ils contribuent aussi à la création de nouveaux matériaux aux propriétés étonnantes (matériaux composites, céramiques
nouvelles, fullerènes, nanotubes, etc.).
Tous ces développements s'accompagnent de la création de nouvelles techniques d'analyse très performantes, telles que la résonance magnétique nucléaire (RMN) et l'imagerie par résonance magnétique (IRM), la diffraction des rayons X, l'utilisation
de sources de rayonnement synchrotron, ou encore les microscopes-sonde à balayage et les microscopes électroniques qui permettent de disséquer la matière à l'échelle atomique. Ainsi, depuis la fin du

XXe

siècle, les physico-chimistes peuvent

observer les atomes et les manipuler dans le but d'étudier leurs propriétés physico-chimiques. Ils peuvent également observer les mouvements des atomes au cours d'une réaction chimique à l'aide de la spectroscopie laser ultrarapide (technique
permettant l'étude de processus se déroulant sur des échelles de temps très courtes, de l'ordre de la femtoseconde, soit 10-15 s).

3.4

XXIe

siècle: une discipline incontournable en quête d'identité

En moins de trois siècles, la chimie physique est devenue une discipline indispensable au développement des différentes branches de la chimie et de la physique, mais également de nombreux autres domaines scientifiques. Elle est notamment de plus
en plus impliquée dans les progrès des sciences de la vie, en particulier en biologie moléculaire et en biochimie, où elle permet notamment d'étudier les structures et les interactions des macromolécules biologiques, ainsi que les aspects énergétiques
du métabolisme des cellules vivantes. La médecine bénéficie également des avancées de la recherche en chimie physique, par exemple dans l'optimisation du ciblage des médicaments ou le développement de la photothérapie.
Par ailleurs, la chimie physique étant reine pour l'étude de réactions chimiques se déroulant dans des conditions extrêmes de pression et/ou de température (voir technologie du vide et plasma), elle intervient naturellement en chimie interstellaire et
en physique nucléaire (réalisation de la fusion thermonucléaire, etc.).
La chimie physique est également au service du patrimoine à travers l'utilisation de techniques d'analyses physico-chimiques pour l'analyse d'oeuvres d'art (datation, révélation du dessous des tableaux ou des statues) et le traitement de monuments
historiques en vue de leur restauration et de leur conservation.
Quant aux grands défis énergétique et environnemental du

XXIe

siècle, là encore la chimie physique est présente avec ses recherches sur l'amélioration des piles électriques et des photopiles (voir énergie solaire).

Finalement, la chimie physique, sous ses différentes formes, intervient dans tellement de domaines différents qu'il devient difficile de définir la spécificité de la discipline. Le débat sur l'identité de la chimie physique, lancé dans les années 1970, est
toujours d'actualité.
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