La chimie du XXIe siècle

Historique

La chimie présente la particularité d'être une science relativement récente apparue seulement à la fin du XVIIIème siècle, à la suite des travaux et des réflexions de Lavoisier, il y a un peu plus de deux cents ans. Avant Lavoisier, l'étude de la matière et des quelques réactions chimiques qui avaient été découvertes étaient considérées sous l'angle de l'alchimie, une pseudo-science ésotérique.

A partir du début du XIXème siècle, les chimistes vont employer des méthodes rigoureuses rendues possibles par les progrès de la physique, particulièrement grâce aux travaux sur les gaz et sur l'électricité.

Vers la fin du XIXème siècle, les premières théories sur la matière ont permis de simplifier la chimie. Ces théories recouvrent deux domaines :

celle de la structure moléculaire, avec la notion de valence et de stéréochimie,
celle de la réactivité chimique, qui se base sur les études cinétique et thermodynamique.

Au cours du XXème siècle, ce sont les théories des mécanismes réactionnels, qui vont permettre de grandes avancées de la chimie. Les mécanismes réactionnels justifient les réactions chimiques par des déplacement d'électrons entre des groupes d'atomes, des déplacements inter ou intramoléculaires.

A la fin des années cinquantes, la chimie quantique, la mécanique quantique adaptée à la chimie va aussi créer une nouvelle approche de la réactivité chimique, en permettant d'analyser les réactions chimiques selon désormais trois axes : le contrôle de charge, le contrôle stérique et le contrôle orbitalaire.

Sur le plan de la chimie expérimentale, l'apparition des techniques spectroscopiques va considérablement faciliter la tâche du chimiste et donc accélerer l'évolution de la chimie.

L'histoire de la chimie se décompose en plusieurs grandes époques:

L'alchimie.
Le glissement de l'alchimie vers la chimie.
La chimie du XIXème siècle.
La chimie des solutions.
La chimie électronique du XXème siècle.
La chimie quantique.

La physique et la chimie quantique

Théorie développée depuis la découverte des quanta, qui s'applique à la description de la matière au niveau atomique et sub-atomique aussi bien qu'à la description de l'Univers (Quantique: se dit de grandeurs, de domaines dans lesquelles intervient la physique quantique).

La physique quantique constitue, avec la théorie de la relativité, le fondement de la physique moderne.

Outre l'explication de l'interaction matière-lumière, du comportement des superfluides, des semi-conducteurs, des supraconducteurs, la physique quantique a d'importantes applications en chimie. La notion d'orbitale permet en effet de faire le lien entre les propriétés chimiques et la structure atomique (prévision du comportement et de la stabilité de composés à partir de leur structure atomique).

La mécanique quantique est le prolongement de la théorie des quanta, issue des travaux de Planck, de leur interprétation par Einstein et de leur application à la théorie atomique par Bohr et Sommerfeld. Elle explique la quantification de certaines grandeurs (énergie, moment cinétique) et fait émerger le principe d'exclusion de Pauli. La nouvelle conception des particules qui découle de la dualité onde-corpuscule, explicitée dans les travaux de de Broglie (1923) conduit à la mécanique ondulatoire.

Ferrocene projection

Parallèlement se développe un nouveau formalisme mathématique, la mécanique des matrices, due à Heisenberg. Schrödinger introduisit une équation différentielle fondamentale pour la physique quantique, dont il montrera l'équivalence avec le point de vue de Heisenberg (1926). cf von Neumann.

Apportant une nouvelle conception de la matière (dans laquelle l'aspect probabiliste joue un rôle très important, avec la notion de fonction d'onde, et les relations d'indétermination d'Heisenberg), la physique quantique implique également un nouveau regard sur le rôle joué par l'observateur dans toute expérience. En effet, toute mesure implique une interaction entre la chose mesurée et l'observateur. Seules sont accessibles les valeurs propres d'observables (dans un processus de "réduction de la fonction d'onde" cf. commutation). Si son formalisme mathématique se développe sans ambages, l'interprétation de la théorie quantique fait l'objet, dès son avènement, de controverses d'ordre philosophique. En particulier la discussion entre Einstein et Bohr sur le maintien ou le rejet du déterminisme à l'échelle atomique et subatomique (qui sera plus tard l'enjeu des inégalités de Bell et de nombreuses expériences dont celles d'Alain Aspect).

L'introduction de la théorie de la relativité dans la mécanique quantique sera ébauchée par Dirac (pour le cas d'un électron), puis dans le cadre de l'électrodynamique quantique, notamment par Feynman, Dyson, Schwinger et Tomonoga.

Concilier la relativité générale et la physique quantique reste l'un des problèmes cruciaux de la physique théorique et en particulier de la cosmologie, notamment pour l'élaboration d'une théorie quantique de la gravitation (unification des interactions, big-bang).

quantique