Chimie

Trois étymologies sont fréquemment citées, mais ces hypothèses peuvent être reliées :

• l'une égyptienne, kemi viendrait de l'ancien égyptien Khemet, la terre. Il se retrouve aussi dans le copte chame « noire » puisque dans la vallée du Nil, la terre est noire. L'art de la kemi, par exemple les poisons minéraux, a pu influencer la magie noire[4] ;
• la racine grecque se lie à χυμεία, khumeia, « mélange de liquides » (χυμός, khumos, « suc, jus »)[5] ;
• enfin, le mot « chimie » proviendrait de l'arabe al kemi, الكيمياء (littéralement la kemia, la « chimie »[6]), venant du grec χεμεία, khemeia, qui signifie « magie noire », mot lui-même venant de l'égyptien ancien kem qui désigne la couleur noire.

Notes

• Al kem signifie aujourd'hui en arabe 'la quantité', attestant que la chimie passe par une précoce approche quantitative de la matière, couvrant indistinctement le champ des premiers procédés chimiques comme celui du dosage en pharmacopée.
• Khem(et) désigne la terre pour les anciens Égyptiens. La chimie se présente comme l'art de la terre et le savoir sur la terre.
• En persan, « Kimiya », « kimyaw » ou « Kamyâb » pour les Iraniens d'aujourd'hui, signifie rare. Rhazès (Razi), l'alchimiste perse du IX^e siècle, cherchait à obtenir un élément rare capable de transformer les métaux en or.

Schéma de distillation au laboratoire.
La distillation fractionnée sert à séparer des corps chimiques de différentes volatilités. Le recueil méticuleux de phases vapeur semble l'une des plus anciennes opérations chimiques connues.

L'art d'employer ou de trier, préparer, purifier, transformer les substances séchées mises sous forme de poudres, qu'elles proviennent du désert ou de vallées sèches, a donné naissance à des codifications savantes, d'abord essentiellement minérales. Mais les plantes éphémères et les arbres pérennes du désert, et leurs extraits gommeux ou liquides nécessaires aux onguents, ont été très vite assimilés à celles-ci, par reconnaissance de l'influence des terres et des roches.

Outre la connaissance du cycle de l'eau et des transports sédimentaires, la maîtrise progressive des métaux et des terres, les Égyptiens de l'Antiquité connaissent beaucoup de choses. Parmi elles, le plâtre, le verre, la potasse, les vernis, le papier (papyrus durci à l'amidon), l'encens, une vaste gamme de couleurs minérales ou pigments, de remèdes et de produits cosmétiques, etc. Plus encore que les huiles à onction ou les bains d'eaux ou de boues relaxants ou guérisseurs, la chimie se présente comme un savoir sacré qui permet la survie. Par exemple par l'art sophistiqué d'embaumer ou par le placement des corps des plus humbles dans un endroit sec.

L'art de la terre égyptien a été enseigné en préservant une conception unitaire. Les temples et les administrations religieuses ont préservé et parfois figé le meilleur des savoirs. Le pouvoir politique souverain s'est appuyé sur les mesures physiques, arpentage et hauteur hydraulique des crues, peut-être sur la densité du limon en suspension, pour déterminer l'impôt et sur les matériaux permettant les déplacements ou la mobilité des armées. Le vitalisme ou les cultes agraires et animaux, domaines appliqués de la kemia, ont été préservés dans des temples, à l'instar d'Amon, conservatoire des fumures azotées et de la chimie ammoniacale antique.

Signes alchimiques des sept métaux : Étain (Jupiter), Plomb (Saturne), Or (Apollon, soleil), Cuivre (Vénus), Mercure, Argent (Diane, Lune), Fer (Mars).

Les alchimistes, par Pietro Longhi, 1757

Les savants musulmans[7] supposaient que tous les métaux provenaient de la même espèce. Ils croyaient à la possibilité de la transmutation et cherchèrent en vain dans cette perspective l'obtention de « l'al-iksir » qui prolongerait la vie.

« Dans le même temps, guidés par des préoccupations plus pratiques, ils se livraient dans leurs laboratoires à des expérimentations systématiques des corps. Disposant de tableaux indiquant les poids spécifiques, ils pouvaient en les pesant, les distinguer, les reconnaître par des analyses sommaires et, quelquefois même les reconstituer par synthèse. [...] Ils trouvèrent des teintures pour colorer les tissus, les mosaïques et les peintures, si parfaites qu'elles ont gardé leur fraîcheur millénaire. »

« Les Arabes allaient faire connaître au monde l'usage des parfums, en apprenant à extraire les parfums des fleurs. À Chapur, on distillait toutes les essences selon les techniques zoroastriennes : narcisse, lilas, violette, jasmin… Gur était réputé pour ses eaux parfumées et fabriquait des eaux de fleur d'oranger et de rose à base de rose d'Ispahan. Samarkand était célèbre par son parfum de basilic, Sikr par son ambre. Le musc du Tibet, le Nénuphar d'Albanie, la Rose de Perse demeurent des parfums aussi prestigieux que légendaires. »

« En mélangeant la soude (Al-qali) avec le suif ou l'huile, les Arabes fabriquèrent les premiers savons et créèrent une des plus magnifiques industries de Bagdad, qui devait s'étendre rapidement sur l'Égypte, la Syrie, La Tunisie et l'Espagne musulmane. L'islam avait fait si bien que le goût du bien-être gagna toutes les classes de la société et que la production ne suffit plus à la consommation. Le besoin d'inventer l'industrie des succédanés ou ersatz se fit sentir à ce moment-là »[7] »

Nos repères de pensée taxonomique sont profondément influencés par les civilisations grecques puis hellénistiques, férues de théorisations, qui ont lentement esquissé de façon sommaire ce qui encadre aux yeux profanes la chimie, la physique et la biologie. Elles ont laissé les techniques vulgaires au monde du travail et de l'esclave. L'émergence de spiritualités populaires, annexant l'utile à des cultes hermétiques, a promu et malaxé ses bribes de savoirs dispersés. Incontestablement, les premiers textes datés tardivement du I^er siècle et II^e siècle après Jésus-Christ comportent à l'exemple de l'alchimie médiévale la plus ésotérique, une partie mystique et une partie opératoire[8]. La religiosité hellénistique a ainsi légué aussi bien le bain-marie, de Marie la Juive que l'abscons patronage d'Hermès Trismégiste, divinité qui prétendait expliquer à la fois le mouvement et la stabilité de toute chose humaine, terrestre ou céleste.

Au cours des siècles, ce savoir empirique oscille entre art sacré et pratique profane. Il s'est préservé comme l'atteste le vocable chimia des scolastiques en 1356, mais savoir et savoir-faire sont souvent segmentés à l'extrême. Parfois, il est amélioré dans le monde paysan, artisan ou minier avant de devenir une science expérimentale, la chimie, au cours des troisième et quatrième décennies du XVII^e siècle. Au même titre que la physique, le prodigieux essor de la pensée et de la modélisation mécanistes, font naître la chimie sous forme de science expérimentale et descriptive[9]. Riche de promesses, la chimie reste essentiellement qualitative et bute sur le retour incessant des croyances écartées.

Les alchimistes ont subsisté jusqu'en 1850. Ils étaient acceptés par les croyances communes, poursuivant la quête de la pierre philosophale et continuant l'alchimie sous une forme ésotérique. La rupture entre la chimie et l'alchimie apparaît pourtant clairement en 1722, quand Étienne Geoffroy l'Aîné, médecin et naturaliste français, affirme l'impossibilité de la transmutation. La chimie expérimentale et l'alchimie diffèrent déjà radicalement ; donc il devient nécessaire de pouvoir distinguer ces deux termes restés dans le langage.

La chimie a connu une avancée énorme avec Antoine Lavoisier qui l'a promue au rang de science exacte. Lavoisier reste dans l'Histoire comme celui qui a découvert la combustion par le dioxygène (1775). Pour le philosophe Thomas Samuel Kuhn, il s'agit d'une révolution scientifique majeure, qui a donné naissance à la chimie moderne[10].

Les biographies des savants français et étrangers se trouvent dans les articles répertoriés dans la Catégorie:Chimiste ou de la Liste de chimistes.

John Dalton à son modeste bureau de laboratoire mancunien.

C'est l'étude de la matière qui a naturellement conduit les premiers chimistes des années 1620-1650 à modéliser sa composition, puisant librement, mais non sans méfiance dans une abondante tradition antique. À la suite de Van Helmont, ces adeptes mécanistes de la contingence maîtrisent déjà la notion de gaz, tiennent compte du facteur de la température et parviennent à expliquer sommairement la pression de vapeur d'un corps et les mélanges miscibles des fluides. John Dalton, persévérant expérimentateur, continuateur de la première lignée mécaniste partiellement abandonnée, a le premier essayé de donner une définition moderne de la notion d'atome. L'atome constitue une particule fondamentale ou une combinaison de plusieurs d'entre elles. En 1811, Amedeo Avogadro affirme que le volume d'un gaz quelconque à pression et température constante contient le même nombre de particules, qu'il dénomme molécules intégrantes ou constituantes[11].

L'obstination de nombreux chimistes souvent incompris, tel Berzelius en pionnier de l'électrovalence dès 1812, a servi pour réaffirmer la possibilité d'une modélisation à la fois mécaniste et géométrique par le biais d'une architecture atomique. Auguste Laurent, proposant pour des séries homologues de molécules organiques un même squelette constitué d'atomes, était cruellement dénigré par les maîtres des laboratoires[12]. Mais malgré la suprématie et l'influence politique des équivalentistes, le revirement s'opère. Ce dernier est porté par la reconnaissance des vieux succès de l'électrochimie préparative depuis Humphry Davy et Michael Faraday et la volonté de corréler quantitativement nombre d'espèces chimiques et masse d'un corps pur.

Représentation de l'atome d'oxygène selon le modèle de Bohr : autour du noyau, les électrons en orbite.

Le congrès de Karlsruhe organisé en 1860 par les amis de Friedrich August Kékulé von Stradonitz et de Charles Adolphe Wurtz ouvre la voie à des conventions atomiques[13]. Son influence éveille une intense recherche de classification des éléments qui débouche notamment sur les classifications périodiques de Mendeleïev et de Meyer. Elle entraîne un renouveau d'intérêt pour les molécules[14]. Kékulé et Kolbe en chimie organique, Le Bel et van 't Hoff en chimie générale et plus tard Alfred Werner en chimie minérale établissent les fondements de la représentation en structures moléculaires[15].

Les orbitales atomiques représentées par les nuages électroniques probabilistes et modélisées à l'aide des équations de la mécanique quantique, le meilleur outil théorique actuel pour décrire le comportement des liaisons quantifiées des atomes et molécules.

Les travaux de Joseph John Thomson, découvreur de l'électron en 1897, prouvent que l'atome est constitué de particules électriquement chargées. Ernest Rutherford démontre par sa célèbre expérience en 1909 que l'atome est surtout composé de vide, son noyau, massif, très petit et positif, étant entouré d'un nuage électronique. Niels Bohr, précurseur de la modélisation atomique, affirme en 1913 que les électrons circulent sur des « orbites ». Lorsque James Chadwick découvre les neutrons, la théorie quantique fondée au début de l'entre-deux-guerres sur le modèle rival d'Erwin Schrödinger renforcée par les compléments matriciels de Werner Heisenberg, l'affinement théorique de Wolfgang Pauli a déjà pris son envol. Et ce, malgré les contestations appliquées et systématiques d'Albert Einstein. Des années 1930 à notre XXI^e siècle, la mécanique quantique explique le comportement de l'atome et des molécules.

Un spectromètre de masse.

Au XX^e siècle, l'essor des mesures physiques a facilité aux chimistes la caractérisation des composés avec lesquels ils travaillent. Auparavant, la réaction chimique et un nombre restreint de techniques physico-chimiques s'imposaient en ultime recours pour détecter ou caractériser une molécule. Maintenant, il existe diverses méthodes de mesures. Parmi elles, la chromatographie, la spectrométrie électromagnétique (infrarouge, lumière visible ou UV), la masse, de résonance magnétique nucléaire. Sans oublier aussi d'inclure les microscopies électroniques et autres analyses par diffraction de rayons X ou par diffusion de particules et, dans des cas d'observation contrôlée sur surface plane, la microscopie par champ de force. Toutes ces possibilités ont permis une identification plus aisée. Elles offrent souvent la possibilité de remonter à la structure géométrique des molécules et de leurs assemblages et de connaître leur composition isotopique. Parfois même de « voir » par le multiplicateur instrumental la molécule, de la (dé)placer ou de suivre des réactions (photo)chimiques en temps réel de plus en plus brèves. Ces progrès physico-chimiques ont permis de grandes avancées tout particulièrement en biochimie où les édifices étudiés restent complexes et les réactions variées.

Un élément est une entité immatérielle dénuée de propriétés physiques ou chimiques. Il constitue un couple formé d'un symbole et d'un numéro atomique (numéro d'ordre dans le tableau périodique des éléments) qui caractérise les atomes, molécules, ions, nucléides isotopes d'une espèce chimique donnée. 92 éléments naturels et 17 éléments artificiellement créés par l'homme sont répertoriés. Un élément chimique désigne abstraitement l'ensemble des atomes avec un nombre donné de protons dans leur noyau[17]. Ce nombre s'appelle le numéro atomique. Par exemple, tous les atomes avec six protons dans leurs noyaux constituent des atomes de l'élément carbone C. Ces éléments sont rassemblés et ordonnés dans le tableau périodique des éléments.

L'atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « indivisible »)[18] d'une espèce chimique représente une entité matérielle. L'atome est formé d'un noyau atomique contenant des nucléons, en particulier d'un nombre Z de charge électrique élémentaire positive du noyau qui maintient autour de lui un nombre d'électrons, charge négative équilibrant la charge positive du noyau. Il possède un rayon, une structure géométrique, ainsi que des propriétés chimiques et physico-chimiques spécifiques relevant de ce cortège électronique.

Un atome constitue la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Généralement constitué d'un noyau composé de protons et de neutrons autour desquels orbitent des électrons, sa taille caractéristique se compte en dixième de nanomètre (nm), soit 10^-10 m.

La théorie atomiste, qui soutient l'idée d'une matière composée de « grains » indivisibles (contre l'idée d'une matière indéfiniment sécable), est connue depuis l'antiquité, et fut en particulier défendue par Démocrite, philosophe de la Grèce antique. Elle fut disputée jusqu'à la fin du XIX^e siècle ; aujourd'hui, cela ne fait l'objet d'aucune controverse. Les sciences de la matière modernes se reposent en particulier sur cette notion d'atome. L'atome n'est cependant plus considéré comme un grain de matière insécable, depuis les expériences de physique nucléaire ayant mis à jour sa structure au début du XX^e siècle.

En chimie, les atomes représentent les éléments de base. Ils constituent la matière et forment les molécules en partageant des électrons. Les atomes restent grosso modo indivisibles au cours d'une réaction chimique (en acceptant les légères exceptions que constituent les échanges des électrons périphériques).

Cependant, depuis le début du XX^e siècle, des expériences de physique nucléaire ont mis en évidence l'existence d'une structure complexe pour le noyau atomique. Les constituants de l'atome constituent des particules élémentaires.

Les plus gros atomes peuvent être vu au microscope électronique en transmission

Histoire de l'atome

Le concept d'atome est particulièrement bien admis par le grand public, pourtant, paradoxalement, les atomes ne peuvent pas être observés par des moyens optiques et seuls quelques rares physiciens manipulent des atomes isolés. L'atome représente donc un modèle essentiellement théorique. Bien que ce modèle ne soit plus aujourd'hui remis en cause, il a beaucoup évolué au cours du temps pour répondre aux exigences des nouvelles théories physiques et correspondre aux différentes expérimentations effectuées.

Les trois isotopes de l'hydrogène, seul élément pour lequel on réserve un nom particulier à ses isotopes nettement plus massifs deutérium et tritium.

Un isotope d'une espèce atomique constitue une entité matérielle caractérisée par :

• le symbole de son élément, le nombre Z qui représente aussi le numéro atomique ;
• le nombre de masse A qui représente la masse relative de l'isotope, A = Z + N.

Un isotope possède des propriétés nucléaires spécifiques. Les propriétés chimiques des divers isotopes ne diffèrent pas entre elles pour les atomes suffisamment lourds.

Modèle éclaté simplifié de la molécule d'eau H₂O. Un atome d'oxygène arbitrairement en rouge s'est accolé deux atomes d'hydrogène arbitrairement en blanc. L'angle est respecté, mais non les tailles relatives des nuages électroniques.

Une molécule constitue un assemblage précis d'atomes, domaine défini et structuré dans l'espace et le temps par des liaisons chimiques fortes[19]. Une molécule polyatomique se comporte essentiellement comme une entité aux propriétés propres, une individualité chimique radicalement différente des atomes qui composent son architecture. Si les molécules monoatomiques ou les petites molécules polyatomiques sont électriquement neutres, les molécules plus grandes ou complexes n'obéissent pas systématiquement à ce critère.

La liaison chimique impliquant la présence d'électrons liés à un ou plusieurs noyaux explique la réalité moléculaire[20]. Plus précisément, elle assure la stabilité des molécules et, dans le cas d'un assemblage complexe, la cohésion liante de chaque atome entre eux mettant en jeu par échange ou partage un ou plusieurs électrons dans les liaisons covalentes. Cela se réalise par la mise en commun d'électrons collectifs à un vaste réseau d'atomes dans la liaison métallique ou initiant par de fortes dissymétries locales de charges, des forces électrostatiques.

Soufre cristal jaune sur un minerai sicilien de l'Etna.

Un corps pur incarne un corps généralement macroscopique constitué au niveau moléculaire d'une seule espèce chimique[21]. Sa composition chimique, son organisation sous forme de gaz, liquide, solide amorphe ou réseaux cristallins, etc., et ses propriétés physiques, par exemple les constantes physiques correspondant aux transitions de premier ordre comme la température de fusion, d'ébullition, peuvent être définies. En particulier, l'analyse chimique distingue les corps simples, dont l'espèce chimique est constituée d'atomes de mêmes éléments, des corps composés, dont l'espèce chimique est constituée d'atomes d'éléments différents[22].

Un composé chimique désigne l'espèce chimique d'un corps composé. Un corps pur est caractérisé par sa formule chimique, écriture symbolique plus ou moins complexe et détaillée, de sa composition chimique. La masse molaire d'un corps pur correspond à la masse d'un nombre d'Avogadro (6,022 × 10²³) d'ensembles correspondants à sa formule brute. Cela concerne la molécule pour les composés moléculaires, les ions constituants les solides ioniques, l'atome dans le cas des gaz rares ainsi que dans celui des métaux et des solides covalents.

Un ion représente un atome qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons. Il s'agit d'un cation simple lorsque son cortège électronique a été privé d'un ou plusieurs électrons, il est chargé positivement. Il constitue un anion simple lorsque son cortège électronique s'en trouve excédentaire, il est alors chargé négativement. Les anions ou cations formés à partir de molécules polyatomiques sont appelés ions complexes.

Un ion potassium complexé et inclus dans un cryptand. Les cryptands, représentent des molécules de synthèse comportant des cavités susceptibles de retenir et piéger un ion étranger. L'ensemble forme un cryptate, molécule complexe qui permet ainsi la dissolution de solides ioniques en solvant organique.

Les complexes sont des édifices formés par un élément central et des ligands. L'élément central, souvent un ion métallique avec un complexe pouvant être chargé. L'étude des complexes métalliques relève de la chimie organométallique ou de la chimie de coordination suivant la nature de l'atome lié au métal (respectivement, un carbone, ou un autre atome). Les complexes revêtent une grande importance en chimie des solutions, en catalyse et en chimie bioinorganique.

Dans les conditions habituelles au laboratoire, le nombre d'entités chimiques participant à une réaction est très élevé : pour une masse de l'ordre de la dizaine de grammes de matière, Il se rapproche de 10²³.

Les chimistes utilisent communément une unité numérique, la mole, qui est représentée par la lettre minuscule « n ». La grandeur associée à la mole constitue la quantité de matière. Une mole d'une entité chimique précise implique l'égalité du nombre de ses particules au nombre d'Avogadro 6,02 × 10²³. Ce dernier nombre est défini par convention comme le nombre d'atomes de carbone présents dans 12 g de ¹²C, c'est-à-dire, un atome de carbone contenant six neutrons et six protons.

La masse molaire M d'un corps pur moléculaire correspond à la masse d'une mole de molécules de celui-ci et s'exprime en grammes par mole (g•mol^-1). La connaissance de la formule chimique et des masses molaires atomiques permet le calcul de la masse molaire moléculaire.

Une mole de gaz parfait occupe 22,4 L dans les conditions normales de température et de pression (0 °C ou 273 K, 101,3 kPa).

L'aspect expérimental reste central en chimie, ceci aussi bien du point de vue historique que pour la pratique actuelle de cette science ainsi que de son enseignement. Les activités en chimie expérimentale peuvent se résumer essentiellement en quatre fonctions dont les contours exacts dépendent du contexte dans lequel elles sont réalisées (enseignement, recherche, industrie dans un certain domaine spécifique de la chimie)[23]^,[24] :

• extraire, c'est-à-dire séparer sélectivement un ou plusieurs composés d'un mélange sur la base de leurs propriétés chimiques ou physiques ;
• purifier, c'est-à-dire isoler une substance sélectionnée des autres composés d'un mélange, considérés comme impuretés. L'extraction et la purification sont apparentées ;
• synthétiser, c'est-à-dire mettre en œuvre un ensemble de réactions chimiques en vue d'obtenir un ou plusieurs produits ;
• analyser, c'est-à-dire reconnaître et caractériser des substances connues ou inconnues.

Une réaction chimique constitue la transformation d’une ou de plusieurs espèces chimiques en d'autres espèces chimiques. Elle implique l'apparition ou la disparition d'au moins une liaison chimique ou un échange d'électron. La réaction qui possède des caractéristiques thermiques nécessite ou fait apparaître différentes formes d’énergie en rapport avec l'énergie de liaison chimique.

Une solution se présente par un mélange homogène formé par un solvant en proportion majoritaire et d'un ou plusieurs solutés dans une phase homogène. Les réactions chimiques ont souvent lieu en solution. La solubilité représente la capacité d'un corps à entrer en solution dans un milieu donné. Par exemple, un sel cristallin comme le chlorure de sodium NaCl ou sel de cuisine possède une limite de solubilité dans l'eau : 357 g·kg^-1 d'eau à 0 °C et 391 g·kg^-1 à 100 °C. Cela signifie qu'à partir de cette teneur limite, le sel précipite ou se dépose sous forme solide. Il y a alors de séparation de phase.

La miscibilité constitue la capacité d'un corps à se mélanger avec un autre en formant une seule phase. Le gaz ammoniac NH₃ se mélange facilement à température ambiante avec l'eau liquide formant l'ammoniaque, 1 kg d'eau froide saturée d'ammoniac peut contenir 899 g de NH₃. Les gaz principaux de l'air, dioxygène et diazote, sont aussi solubles en certaines proportions dans l'eau liquide. 100 g d'eau liquide à 0 °C peut contenir au maximum 4,89 cm³ du premier en solution et 2,3 cm³ du second.

Une émulsion se décrit comme une dispersion d'une phase liquide à l'état de gouttelettes microscopiques ou sub-microscopiques, dans une autre phase liquide non miscible. Une suspension constitue une dispersion d'une phase solide finement divisée au sein d'une autre phase liquide englobante. La stabilité d'une suspension ou d'une émulsion nécessite que les fines gouttelettes ou les grains en suspension soient stabilisés par des molécules amphiphiles qui se placent à l'interphase. Ainsi, aucune coalescence des gouttelettes ni d'agglomérations de particules solides ne persiste. Comme le précise le chimiste et gastronome moléculaire, Hervé This, l'immense majorité des systèmes culinaires ne constituent pas des émulsions, mais des dispersions colloïdales plus ou moins complexes[25].

L'art, à l'origine souvent empirique, de fabriquer des dispersions colloïdales a fourni des applications en pharmaceutique comme en cuisine, par exemple pour la préparation de chocolats et glaces, de sauces ou de mayonnaises.

Schéma simplifié d'une pile Volta, l'une des applications communes de l'électrochimie.

Une réaction d'oxydoréduction constitue un échange d’électrons entre différentes espèces chimiques. L'espèce qui capte les électrons est appelée « oxydant » ; celle qui les cède, « réducteur ».

Papier indicateur de pH, pour évaluer grossièrement l'acidité d'une solution aqueuse.

Les réactions acides-bases en solution sont basées aussi sur des couples d'espèces chimiques. L'acidité et la basicité peuvent être calculées ou mesurées par la concentration des espèces chimiques en solution, qui prend une forme acide ou basique. Svante Arrhenius a mis en évidence dans les solutions aqueuses l'échange de protons entre les composés chimiques, la concentration en ion hydronium (H₃O⁺ ou Hexp+_(aq)) indique l'acidité du milieu comme la concentration en ion hydroxyde (OH_-) la basicité. Une extension de la modalité de classification à d'autres milieux solvants a été conduite par le chimiste américain Gilbert Newton Lewis.

Une synthèse chimique se décrit comme un enchaînement de réactions chimiques mis en œuvre de façon volontaire par un chimiste pour l'obtention d'un ou de plusieurs produits, parfois avec isolation de composés intermédiaires.

Réaliser la synthèse d’un composé chimique, permet d'obtenir ce composé à partir d’autres composés chimiques grâce à des réactions chimiques. La planification de l'enchaînement des réactions afin de maximiser l'efficacité de la synthèse (nombre d'étapes, rendement, simplicité des réactions, considérations toxicologiques et environnementales) se nomme la stratégie de synthèse.

La synthèse de Fischer de l'indole.

La chimie organique représente principalement une chimie de synthèse, on parle alors de synthèse organique. Des aspects synthétiques importants se retrouvent également en chimie inorganique et en chimie des polymères.

Structure moléculaire du Kevlar, marque déposée de fibres aramides, formant des couches solides et résistantes au choc et à la pénétration, matière de choix pour les casques ou gilets pare-balles.

Les polymères constituent de grandes molécules ou macromolécules dont un grand nombre des plus communs est formé par la réaction en chaîne de petites molécules appelées monomères. Ces polymères de synthèse industrielle, dont la structure est fondée sur la répétition d'un motif organique, parfois linéaire, ramifié ou greffé, en réseau ou interpénétré, etc. Concernant les polymères formés par polyaddition de monomères organiques dont le site réactif constitue justement la double liaison carbone-carbone, le grand squelette plus ou moins souple formé d'atomes de carbone qui est décrit par ses configurations et longueur(s) de chaîne moyenne(s) influence les propriétés observées. Citons parmi ces polymères organiques, les polyéthylènes, les polypropylènes, les polystyrènes, les polyisoprènes, les polybutadiènes, les PVC et les polyacryliques. D'autres sortes de réactions de polymérisations existent, comme les polycondensations à l'origine des polyesters, polyamides, polycarbonates, polyuréthanes. Sans compter aussi des polymères à motifs minéraux, comme les silicones ou les polysulfures.

L'existence des macromolécules ou polymères naturels avait été pressentie par le pionnier Hermann Staudinger en 1910. Elles peuvent être à motif de glucose ou sucre chimique comme la cellulose ou l'amidon, à motif d'acides aminés comme les protéines et ADN. La chimie macromoléculaire née dans les années 1930 a constitué un domaine continûment innovateur, même au cours des dernières décennies.

Antoine Lavoisier et sa femme, principale collaboratrice en chimie.

La chimie, science expérimentale et descriptive, prenant un essor remarquable à l'époque industrielle tout en acceptant la modélisation physique et le langage mathématique là où ils semblaient pertinents, a découvert ou ouvert la voie à nombreuses lois physico-chimiques.

• Lois de structure
  • Règles de l'octet, de Hund, de Klechkowski et de Pauli qui avec d'autres règles sur la stabilité du nuage électronique permettent de prévoir la configuration électronique des atomes.
  • Théorie VSEPR ou Valence Shell Electronic Pairs Repulsion qui permet de prévoir la géométrie des molécules.
• Lois de cinétique et de thermodynamique
  • Loi d'Arrhenius qui relie la constante de vitesse d'une réaction à l'énergie d'activation et à la température.
  • Loi de Hess qui permet de déterminer les enthalpies de réaction à partir des enthalpies standards de formation.
  • Loi de Henry et loi de Raoult qui permettent de déterminer la solubilité d'un gaz dans un liquide ou la pression de vapeur d'une solution idéale.
  • Loi de Guldberg et Waage qui permet de définir l'équilibre thermodynamique d'un système réactionnel.
  • Loi expérimentale de van 't Hoff qui permet de prévoir le sens d'un déplacement d'équilibre en fonction de la température.
• Lois de conservation
  • Principe de conservation de la masse illustré par la célèbre phrase d'Antoine Lavoisier : « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme. »
  • Loi de Soddy qui illustre la conservation du nombre de charges.
• Lois de spectroscopie
  • Loi de Beer-Lambert qui relie l'absorbance d'un élément en solution à sa concentration.
  • Loi de Kasha qui décrit dans le modèle quantique la phosphorescence et la fluorescence.
• Lois d'électrochimie
  • Loi de Nernst qui relie la tension d'équilibre d'une électrode au potentiel standard du couple redox mis en jeu.
  • Loi de Kohlrausch qui permet de mesurer des conductivités de solution.
  • Loi limitée de Debye-Hückel qui permet de déterminer des coefficients d'activité.
• Lois de chimie organique
  • Règle de Markovnikov et de Zaïtsev qui permettent de prévoir la régiosélectivité d'une réaction.
• Lois de l'équilibre chimique
  • Principe de Le Chatelier stipulant qu'un équilibre chimique se déplace dans le sens opposé à une perturbation de cet équilibre.

La chimie est introduite dès le Cycle 3 primaire (CE2, CM1, CM2) dans le cadre de l'enseignement des Sciences expérimentales et Technologies (B.O. 2011[26]). Ces premières notions (par exemple unités de mesure, mélanges, solutions, les différents états de la matière et les changements d'états...) sont introduites dans le cadre d'activités essentiellement expérimentales et de résolution de problèmes concrets, issus pour la plupart de la vie quotidienne, en lien avec les autres matières de la formation (Sciences de la Vie et de la Terre, Physique, Technologie, Informatique...). Ici le but n'est pas forcément l'accumulation de connaissances, mais plutôt l'initiation à la résolution de problèmes et l'éveil de la curiosité de l'élève, celui-ci étant en général confronté à une situation concrète, en autonomie, à partir de supports variés (manuels, expériences menées en classe ou à la maison, documents audio-vidéo, logiciels, animations interactives...). Le choix des expériences réalisées est laissé à la discrétion de l'enseignant, ainsi que le contenu exact des séquences.

La chimie est ensuite enseignée au collège en même temps que la physique dès la sixième à raison d'une heure et demie en moyenne, par semaine, et indépendamment des autres matières scientifiques et techniques (Sciences de la Vie et de la Terre et Technologie).

Ensuite, au lycée, les élèves commencent par trois heures et demie de physique-chimie par semaine, dont une heure et demie de travaux pratiques en seconde. La poursuite de l'enseignement de la physique-chimie dépend du choix d'orientation des élèves : pour la filière générale : le choix d'une spécialité physique-chimie permet d'obtenir un enseignement de 4h par semaine dont 2h de TP, ensuite, si l'élève continue la spécialité, il passera à 6h de physique-chimie par semaine dont 2h de TP. Par ailleurs, tous les élèves de première et seconde suivent un enseignement scientifique de 2h par semaine dont 1h de TP qui est partagé en deux avec d'un côté le physique-chimie et de l'autre la SVT (donc 1h d'enseignement scientifique physique chimie et 1h d'enseignement scientifique SVT par semaine). Pour la filière technologique, les élèves ont un enseignement de chimie en STI2D, STD2A, STL, ST2S et STAV

Enfin, la chimie peut être étudiée après le baccalauréat en CPGE scientifique, notamment en PCSI [27]puis poursuivre en PC, en UFR de chimie ou de sciences (université), en IUT de chimie (université) ou en école de chimie. De nombreuses écoles d'ingénieurs dans le domaine de la chimie sont regroupées au sein de la fédération Gay-Lussac.

En 2009 au Québec, les cours de chimie et de physique constituent des options que peut prendre l'élève de cinquième secondaire. Cela pousse plus loin le cours de « sciences et technologie » qu'il a été obligé de suivre durant les dernières années de son secondaire. En temps normal, pour être admis dans les cours de chimie et de physique de cinquième secondaire, les élèves doivent avoir suivi avec succès le cours de « sciences et technologie de l'environnement » en quatrième secondaire. Les options de chimie et de physique servent comme critère d'admission dans plusieurs programmes du cégep comme les cours de sciences pures et appliquées, de sciences de la nature et de sciences de la santé.

En 2009 en Suisse, la chimie est enseignée au gymnase dès la dixième année de scolarité. Les universités de Bâle, de Genève, de Berne, de Fribourg et de Zurich forment des chimistes et les écoles polytechniques, comme l'École polytechnique fédérale de Lausanne, des ingénieurs chimistes et des chimistes.

• Médaille Davy, décernée par la Royal Society depuis 1877
• Prix Nobel de chimie, décerné par l'Académie royale des sciences de Suède depuis 1901
• Prix Hudson, décerné par l'American Chemical Society depuis 1946
• Médaille Leverhulme, décernée par la Royal Society depuis 1960
• Prix de science macromoléculaire et de génie, décerné par l'Institut de chimie du Canada depuis 1971
• Prix Wolf de chimie, décerné par la fondation Wolf en Israël depuis 1978

• Médaille Lavoisier, décernée par la Société chimique de France

Eaux du Rio Tinto acides et colorées par des rejets miniers.

Citons quelques applications. D'abord la mesure. L'analyse précise de solutions diluées dans un solvant, contenant des molécules solubles plus ou moins complexes, constitue le fruit de longues mises au point analytiques, aujourd'hui très vite réalisées et banales, comme en chimie des solutions aqueuses. Pensons aux analyses banalisées de l'eau du robinet reconnue potable ou des eaux minérales du commerce. Les (bio)chimistes spécialistes des eaux présente un rôle de surveillance des eaux naturelles et de leurs qualités ou toxicités éventuelles. Le recours à la désinfection chimique de l'eau du robinet avant consommation pourrait être modéré en réalisant des progrès substantiels^{[réf. nécessaire]}. En fin d'usage, la maîtrise des procédés chimiques et biologiques permet le traitement des eaux usées dans les stations d'épuration.

Ensuite l'usage. La chimie la plus simple peut commencer avec la fabrication et l'usage du sel, nécessaire à l'alimentation et capital pour les vieux procédés de conservation des aliments. Aujourd'hui, les produits de l'industrie agroalimentaire ont recours à une gamme plus variée de conservateurs, agents de conservation ou agents nutritifs, additifs alimentaires comme les colorants, les arômes artificiels et les édulcorants.

Résidus et déchets de consommation flottants.

Des emballages alimentaires à la préservation des récoltes, une connaissance raisonnée des matériaux et des aliments permet d'éviter le gaspillage et les déperditions tout en préservant les qualités et propriétés nutritionnelles des futurs aliments. Suivant l'usage, certains emballages sont biodégradables et, à l'aide du tri sélectif après utilisation, ils sont transformés et revalorisés grâce à des procédés chimiques de recyclage ou une combustion ultime qui permet de ne pas gaspiller l'énergie qu'ils recèlent.

L'agriculture a subi une mutation technologique[31] et elle est devenue fortement dépendante d'intrants chimiques. Certainement que l'utilisation à grande échelle d'engrais chimiques, l'usage irraisonné de pesticides et d'insecticides dans des monocultures de plus en plus sensibles ou fragiles peut constituer une impasse désastreuse à long terme pour les sols. L'écologie des terres et la santé des animaux et des hommes qui y vivent ou vivront, ainsi que les tenants de l'agriculture biologique le postulent dans l'immédiat. Si l'on donne à un homme un couteau, il peut découper finement un jambon de façon à le partager avec ses amis, ou encore égorger sauvagement ses voisins perçus en ennemis. L'utilisation des technologies chimiques recèle des bienfaits potentiels ou de terribles dangers selon les usages ou les objectifs. Elle échappe autant aux chimistes qu'à l'honnête homme de la rue. Par exemple, un chimiste organicien considère comme une absurdité de brûler de l'essence dans un moteur à combustion. Pour lui cette matière de choix permet de réaliser d'autres molécules chimiques à usage varié qui, alors seulement au terme de leur usage, pourraient être décomposées et brûlées. Le gain sur une courte échelle de temps d'une famille de produits chimiques, parfois peu sophistiqués et à utilisation massive, permet d'obtenir des profits évidents. Ainsi s'obtiennent des récoltes plus abondantes en enrichissant les sols pauvres et en éliminant les insectes nuisibles, les champignons parasites, les mauvaises herbes et la faune associée. Mais qu'advient-il à longue échéance ? Après avoir provoqué l'éradication de multiples espèces d'oiseaux, l'affaiblissement des hyménoptères butineurs, la prise de conscience générale des dommages causés à l'environnement devient vitale. Les sociétés agrochimiques produisent alors de nouveaux produits plus efficaces ou plus ciblés qui peuvent soit respecter mieux l'environnement soit entraîner d'autres catastrophes parfois plus pernicieuses alors que la course au profit immédiat implique de minorer toute information alarmiste.

La chimie explique sommairement la formation du bois et des textiles naturels ou permet la synthèse de larges gammes de matières et de types de matériaux. Parmi eux se trouvent fibres synthétiques (comme le nylon, le Lycra et la fibre PET pour fabriquer des polaires), mobilier en matière plastique, etc.

Dans le domaine de la construction, la chimie a beaucoup évolué en contribuant aussi à la fabrication de matériaux, d'isolants performants, de peintures ou de vernis, de mastics, de produits d'entretien et d'ameublement. Les désagréments causés par les produits des premières générations ont été très lentement corrigés, puis les générations suivantes apportent d'autres inconvénients.

L'explosion spectaculaire de la raffinerie de Catano. Les accidents des usines chimiques peuvent causer de graves conséquences sur l'environnement.

Un nombre important d'applications chimiques ont trouvé ou trouvent encore des débouchés et usages commerciaux profitables, alors qu'une connaissance approfondie et précise des méfaits de leurs emplois ou mésusages fait défaut tant aux utilisateurs qu'au public. La chimie toxicologique constitue une parente pauvre. Alors que les grands groupes pétrochimiques se sont vantés dans les années 1970 d'apporter une sécurité écologique, les 200 000 molécules que leurs activités ont permis de confectionner ne sont véritablement connues du toxicologue qu'à 1 %. Le progrès, plus visible depuis longtemps, représente un bouleversement, un gain éhonté pour certains, une menace vitale pour les moins favorisés. Cependant, comment essayer de maîtriser et de juguler le danger sans faire confiance à la collégialité de différents chimistes, renforcées au besoin d'équipes expertes de mathématiciens, physiciens, de biologistes, etc., et à leurs éthiques de vérité scientifique ?^{[réf. nécessaire]}

La découverte et la synthèse de médicaments qui contribuent à l'augmentation de l'espérance de vie enregistrée depuis la fin de la révolution industrielle dans les pays développés sont aussi à l'actif des techniques de la chimie. Mais la médicalisation massive d'une population entraîne d'irréductibles problèmes de pollutions, car les molécules ou leurs produits sommaires de dégradations se retrouvent dans les eaux usées.

Dans le domaine « Santé-environnement », la chimie constitue une source de problème par certains polluants qu'elle crée ou contribue à diffuser dans l'environnement, en particulier les produits chimiques toxiques ou écotoxiques dont les CMR « cancérogènes, mutagènes et reprotoxiques ». Certains produits tels que médicaments, pesticides, catalyseurs ou leurs résidus perdus dans l'environnement ou présents dans l'alimentation peuvent ensuite poser des problèmes d'environnement ou de santé, en particulier avec les perturbateurs endocriniens.

Les substances chimiques incarneraient « au premier rang des accusés » la chute de la qualité des spermatozoïdes (réduite de 50 % depuis 1950) et des maladies liées à l'appareil génital à travers les perturbateurs endocriniens. Le 25 novembre 2008, le gouvernement français (à travers l'IReSP, structure de recherche créée par l'INSERM et 20 partenaires) et l'Afsset ont organisé un colloque sur le thème : « Environnement chimique, reproduction et développement de l'enfant. » Les principales matières incriminées sont les phtalates et le bisphénol A[32], deux additifs présents dans les matières plastiques.

Au niveau international, la convention de Rotterdam, administrée par l'ONU (PNUD, FAO) a été adoptée par 165 pays en 1998 pour mieux assurer la santé des personnes et de l’environnement contre des dommages éventuels induits par le commerce de produits chimiques.

De nombreuses législations concernent les produits chimiques et leurs résidus, qui varient selon les pays. Des bases de données et guides sur le risque chimique existent, donc en France[33].

La représentation littéraire du chimiste dans de nombreuses œuvres constitue une grande différente de la réalité. Il est considéré comme un savant venu d'ailleurs qui vit hors du temps. Le chimiste se présente alors en demi-sorcier, image issue de l'ancien alchimiste, qui joue avec des forces obscures qu'il ne maîtrise pas afin de rivaliser avec la nature. La chimie est souvent associée avec l'occulte alors qu'elle représente une science reconnue.

Toutefois, il faut soustraire à ce tableau Le Système périodique de Primo Levi. Cet ouvrage littéraire italien sur le thème de la chimie comporte vingt et un chapitres qui, chacun séparément, illustrent un élément du tableau de Mendeleïev. Ces parties descriptives qui ont été conçues avec le support spatial du tableau périodique et l'art du chimiste relatent au besoin la vie professionnelle de l'écrivain. Par ailleurs chimiste spécialiste de peinture et directeur du laboratoire d'une petite unité de production à Turin, des anecdotes ou rencontres autobiographiques ou de courtes nouvelles complémentaires inventées, judicieusement choisies.

La chimie est présentée, de façon plus ou moins plausible, dans plusieurs séries télévisées comme ressort scénaristique pour tirer le protagoniste de situation délicate en fabricant des gaz toxiques, des batteries ou des bombes artisanales. Cet usage peut être du bricolage improvisé comme dans MacGyver ou prémédité par un chimiste expert comme dans Breaking Bad.

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