Svante Arrhenius

Svante August Arrhenius

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Svante August Arrhenius

Svante August Arrhenius
Naissance	19 février 1859 Wijk, Suède ()
Décès	2 octobre 1927 Stockholm, Suède ()
Nationalité	Suède
Distinctions	Prix Nobel de chimie
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Svante August Arrhenius (né à Wijk le 19 février 1859 - mort à Stockholm 2 octobre 1927) était un chimiste suédois qui a été pionnier dans de nombreux domaines. Il a reçu le prix Nobel de chimie en 1903.

Arrhenius, en 1887 (debout à partir de la gauche ; Nernst, Streintz, Arrhenius, Hiecke, et (assis à partir de la gauche) Aulinger, Ettingshausen, Boltzmann, Klemencic, Hausmanninge.

Son fils Olof Vilhelm Arrhenius a été un chimiste réputé en Suède. Son petit-fils Gustaf Olof Svante Arrhenius a également fait une carrière scientifique (océanographe, biogéochimiste, exobiologiste). Tous deux ont étudié et fait progresser des sujets étudiés ou défrichés par leur père et grand-père.

Sa vie

S.A. Arrhenius est né en Suède à Vik (aussi orthographié Wik ou Wijk) près d'Uppsala, de Gustav Svante Arrhenius et Carolina Thunberg. Son père après avoir été géomètre à l'université d'Uppsala y a obtenu une place de superviseur.

À l'âge de trois ans, le petit Arrhenius apprend à lire tout seul, et en regardant son père additionner des nombres dans son livre de compte, il devient rapidement un prodige en arithmétique, compétence qu'il a très vite pu accroître, disposant de masses de données pour étudier les lois et relations mathématiques.

À l'âge de 8 ans, il entre dans l'école locale « de la cathédrale » et s'y distingue dans le domaine de la physique et des mathématiques. Il est en 1876 l'étudiant le mieux noté et le plus jeune de son niveau.

Il a été marié deux fois, durant 2 ans (de 1894 à 1896) à Sofia Rudbeck (une de ses anciennes élèves), qui lui donna un fils, puis en 1905 à Maria Johansson (qui lui donna deux filles et un garçon).

Carrière universitaire et scientifique

À l’université d'Uppsala, il est insatisfait de son professeur principal en physique, et le seul professeur semblant capable de le superviser est un chimiste Per Thodor Cleve.

Après cinq ans d’études en physique, mathématiques et chimie à l’Université d'Uppsala, il entre en 1881 à l’Institut de Physique de l’Académie royale des sciences de Suède, à Stockholm, où il prépare une thèse, sous la supervision du physicien Erik Edlund. Son sujet d’étude sera la conductivité des électrolytes.

En 1883, il publie un mémoire de 150 pages intitulé Recherches sur la conductibilité galvanique des électrolytes qui annonce sa théorie de la dissociation, laquelle lui permet d’obtenir son diplôme de doctorat en 1884. Sa soutenance de doctorat n’impressionne pas du tout ses professeurs (dont Per Teodor Cleve) qui lui accordent son doctorat, mais avec la note la plus basse possible (Ce même travail lui vaudra plus tard le prix Nobel de chimie).

Arrhénius a envoyé des copies de sa thèse à divers scientifiques européens qui œuvraient à de nouvelles approches de la chimie physique, comme Rudolf Clausius, Wilhelm Ostwald, et J. H. van ’t Hoff . Ces derniers ont été beaucoup plus impressionnés que les professeurs d’Arrhenius et W. Ostwald est même venu à Uppsala rencontrer Arrhenius pour le persuader de se joindre à son équipe de recherche, invitation qu'Arrhenius a décliné, préférant rester en Suède, probablement parce qu'il avait un poste à Uppsala, et aussi pour s’occuper de son père qui était gravement malade (celui-ci meurt en 1885).

En 1886, E. Edlund obtient de l'Académie des sciences suédoise qu’elle lui finance un voyage d’étude en Europe, ce qui lui permet de passer quatre ans dans les laboratoires d’Ostwald à Riga, de Kohlrausch à Würzburg, de Boltzmann à Graz et de Van’t Hoff à Amsterdam.

Il refuse un poste en Allemagne pour rester en Suède où il rentrera pour travailler à l'Institut royal de technologie de Stockholm, comme professeur, puis comme recteur. En 1891, il est nommé maître de conférence à la Stockholms Högskola (aujourd'hui Université de Stockholm), étant promu professeur de physique (avec beaucoup d'opposition de ses pairs) en 1895, et recteur en 1896.

Arrhenius devient ensuite professeur de chimie à l’Université de Stockholm en 1895. Il est accepté à l’académie des sciences suédoises en 1901. Son prix Nobel (1903) accroît la reconnaissance de ses pairs, et en 1905, il est nommé à la direction de l’« Institut Nobel de chimie physique », spécialement créé pour lui.

Son nom resté attaché à la Loi d'Arrhenius qui rend compte de la variation de vitesse des réactions chimiques avec la température et qu’il a formulé en 1889 dans son article intitulé "On the velocity of the inversion of cane sugar by acids".

Théorie de la dissociation

Ses travaux de recherche portèrent sur la conductivité des solutions d’électrolytes. Ils lui permirent de rédiger Recherches sur la conductibilité galvanique des électrolytes qui préfigure sa théorie de la dissociation. Celle-ci postule que les composés chimiques en solution dans une solution électrolytique (conductrice de charges électriques) sont dissociés en ions, et ce même en l’absence de courant électrique traversant la solution.

Cinquante-six hypothèses sont présentées et discutées dans sa thèse de 1884. La plupart sont encore acceptées aujourd’hui, telles qu’elles ou avec des modifications mineures. Le plus important dans sa thèse est l’idée que ni les sels purs ni l'eau pure ne sont conducteurs, mais qu’une solution de sels l’est. L'explication d’Arrhenius est que lors de sa dissolution, le sel se dissocie en particules chargées (que Michael Faraday avait nommé « ions » quelques années avant). Faraday avait la conviction que les ions étaient produit par le processus d’électrolyse. Arrhenius a posé l'hypothèse que même en l’absence de courant électrique, les solutions salines contenaient des ions, et que les réactions chimiques en solution étaient le fait de réactions entre ions. Pour les électrolytes faibles on pense toujours que c'est le cas, mais cette théorie a été modifiée (par Peter Debye et Erich Hückel) pour prendre en compte le comportement des électrolytes forts.

En 1884, comme développement de sa théorie sur les ions, Arrhenius propose aussi une définition des acides et des bases, estimant que les substances acides produisent des ions d'hydrogène en solution, et que les bases produisent des ions hydroxyde en solution.

En 1889, Arrhenius postule également que le degré de dissociation augmente avec la dilution de la solution, après avoir observé que les réactions chimiques gagnent en vitesse en fonction de la température de la solution, et ceci, de façon proportionnelle à la concentration des molécules activées. Il en tire une loi de variation de la constante de vitesse d’une réaction chimique en fonction de la température.

Sa théorie est d'abord mal reçue par la communauté scientifique, qui la considère comme fausse. Elle sera cependant peu à peu acceptée pour finalement former l'une des pierres angulaires de la chimie physique et de l’électrochimie modernes.

Visionnaire... La théorie de l'effet de serre

Voulant comprendre et expliquer le cycle des glaciations, Svante Arrhenius a élaboré une théorie qui relie l’augmentation du CO₂ atmosphérique à une augmentation sensible des températures terrestres en raison d'un « effet de serre » dû à la vapeur d’eau et à l’acide carbonique (CO₂ dissous dans la vapeur d'eau). Il a été influencé dans ce travail par d'autres chercheurs, dont Joseph Fourier.

Dans un article intitulé « De l'influence de l'acide carbonique dans l'air… sur la température de la terre », publié en 1896^[1], il estime qu'un doublement du taux de CO₂ causerait un réchauffement de ~5 °C (soit un peu plus que les prévisions de 1,5 à 4,5 °C faites par le GIEC plus de 100 ans plus tard, en 2001).

Pour calculer les capacités d’absorption du CO₂ et de la vapeur d'eau, Arrhenius a utilisé les observations de la lune faites dans l’infrarouge par Frank Washington Very et Samuel Pierpont Langley à l'observatoire Allegheny de Pittsburgh.

Les laborieux calculs d'Arrhenius se sont plus tard montrés erronés, mais s’appuyant sur la « Loi de Stefan-Boltzmann », il a formulé une première loi sur l'effet de serre, dont la forme originale est : Si la quantité d’acide carbonique augmente en progression géométrique, l’augmentation de la température suivra, presque avec une progression arithmétique. (« If the quantity of carbonic acid increases in geometric progression, the augmentation of the temperature will increase nearly in arithmetic progression »), loi qui n'a pas été depuis invalidée, mais qui a été simplifiée dans son expression by G. Myhre et ses collègues en 1998 avec la formules suivante :

ΔF = αln(C/C₀)

En 1900, Anders Jonas Ångström, qui a publié le premier spectre moderne infrarouge du CO₂ (avec deux bandes d’absorption) critique les valeurs élevées d’absorption calculée par Arrhenius pour le CO₂. Arrhenius lui répond vivement en 1901^[2], rejetant la critique. Deux ans après, il aborde brièvement le sujet dans un ouvrage technique (Lehrbuch der kosmischen Physik, 1903). Trois ans plus tard, il publie un long texte de vulgarisation, formulation cosmogonique présentant sa vision de l'apparition de la terre et de la vie sur terre « Världarnas utveckling » (1906) qui sera traduit l’année suivante en allemand sous le titre Das Werden der Welten^[3], 1907), puis en anglais (Worlds in the Making, the Evolution of the Universe, New York, London, Harper, 1908)^[4]. Dans ce texte, il suggère que les émissions humaines de CO₂ devraient être suffisantes pour prémunir le monde d'une nouvelle ère glaciaire. Il y estime qu’une terre plus chaude serait nécessaire pour nourrir la population humaine qui augmente rapidement. Il présente très clairement un monde plus chaud comme un changement positif. À partir de ce moment, sa théorie sur l'effet de serre gagne de l’attention.

Néanmoins, jusqu'aux années 1960, la plupart des scientifiques vont considérer cet effet de serre comme ne pouvant plausiblement influencer les cycles glaciaires que Milutin Milankovitch a modélisé d’une manière très satisfaisante sur la base des changements d'orbite de la terre. La théorie de Milankovitch s’est en effet avérée être puissamment prédictive à rebours, pour expliquer les glaciations qui ont touché la terre depuis plusieurs millions d'années. Ce forçage orbital est admis de nos jours comme premier facteur climatique, le CO₂ étant néanmoins reconnu comme élément amplificateur (boucle de rétroaction positive).

Arrhenius a estimé – il y a plus de 100 ans – qu’une réduction de moitié du CO₂ atmosphérique diminuerait la températures moyenne de la surface du globe de 4 à 5 °C, alors qu’un doublement du CO₂ entraînerait une élévation de la température de 5 voire 6 degrés Celsius^[5] (ou 7 à 11 degrés Fahrenheit).
Les estimations récentes (2007) du GIEC donnent une valeur (sensibilité du climat) comprise entre 2 et 4,5 degrés. Il est remarquable qu’Arrhenius ait calculé une estimation si proche de celle du GIEC. Arrhenius s’attendait à ce que le taux de CO₂ double, mais au rythme de son temps, c’est-à-dire en environ 3000 ans d’après ses calculs. Au rythme actuel, cela prendra un siècle seulement selon les calculs du GIEC.

Arrhenius ; précurseur en matière de modélisation de la diversité biologique

Arrhenius fut un scientifique très éclectique. Très jeune, il s’est notamment intéressé aux facteurs qui contraignaient ou favorisaient la diversité des espèces.

À partir d'une étude botanique des espèces qui poussaient dans son environnement (fjord), Arrhenius a proposé la formule approximative suivante, où quand dans une aire biogéographique donnée une aire $\ y$ grandit en devant $\ y_1$, le nombre d'espèces ($\ x$) qu'on y trouve s'élève en devenant $\ x_1$, selon la formule :

$\dfrac xx_1 = \left( \dfrac yy_2 \right)^n$, $\ n$ étant une constante à ajuster, la constante $\ n$ augmentant quand le nombre d'espèce ($\ x_1$) croit lentement, et $\ n$ diminuant quand ce nombre d'espèce augmente rapidement.

Arrhenius a proposé une autre formulation  : $\ S = CA^z$. S (pour species) représentant le nombre d'espèces, A (pour Area) représentant la surface, $\ C$ et z étant des constantes à ajuster.

Ces formules ont d'abord été très critiqué parce qu'apparement trop simplificatrices, notamment parce qu'elles ne tiennent pas compte de la longueur ou de la nature de l'écotone, ou du facteur d'altitude ou d'autres facteurs liés aux milieux extrêmes supposés très impactant pour la diversité biologique. Beumée et Reitz l'ont fortement critiquée, mais testées sur des espèces végétales, elle s’est montrée prédictive - dans certaines limites - par exemple en Suède, Suisse et Finlande, y compris pour des associations en mosaïques. Plus récemment elle s'est montrée prédictive du taux d'endémisme des îles malaisiennes (Java, Sulawesi, Sumatra, Bornéo, et Nouvelle-Guinée) ; Plus ces îles ont une grande superficie, plus le taux d'endémisme y est élevé et plus les taxons (espèces et familles) y sont nombreux, à surface et conditions biogéographiques équivalentes (Sachant qu'à surface cartographiée équivalente, une île (ou une aire donnée) à fort relief équivaut à une surface bioproductive réelle bien plus grande qu'une ile ou zone qui serait plate. Dans ce cas, l'addition de données sur la pluviométrie dans les modèles n'a pas modifié cette relation^[6]. Des calculs plus complexes peuvent être faits sur les écotones (fractales) et la surface développée de milieux par exemple sous-marins (un récif corallien, le plateau continental rocheux ou sableux..), mais on admet aujourd'hui qu'il existe une relation entre surface réelle d'un milieu et diversité des espèces qui l'habitent.

Cette relation entre aire et diversité biologique prend une importance nouvelle depuis le XIX^e siècle, époque où la fragmentation écologique est devenue importante, croissant de manière exponentielle au XX^e siècle avec le recul et la fragmentation des milieux naturels au profit du développement des réseaux fortement maillés de villes et de transports, et avec l'utilisation massive de biocides (pesticides) en agriculture.
On ne parlait pas au XIX^e siècle de biodiversité, mais les écologues parlent encore aujourd'hui de modèle d’Arrhenius, ou d’équation d’Arrhenius (qui a par exemple servi à faire un calcul estimant que pour être efficace, une réserve naturelle devrait en Nouvelle-Zélande couvrir une surface minimale de 10 km x 10 km ^[7]

Autres centres d’intérêt

Alors que ses théories commençaient à être acceptées, Arrhénius, très éclectique s'intéresse à d'autres champs de savoir ;
à la physiologie, constatant que nombre de réactions observées au sein d'organismes vivants (in vivo) suivaient les mêmes lois que dans les éprouvettes (in vitro).
Il s'intéresse aussi à la géophysique terrestre, soutenant en 1900 l'hypothèse de Ritter qui en 1878 estimait que la Terre était constituée d’un noyau gazeux entouré d’une croûte dure (hypothèse reprise par Gunther en 1884 avant d'être contredite par les progrès de la sismologie)^[8].
L'Immunochimie l'intéresse aussi : En 1904 il se rend aux États-Unis et prononce à l'Université de Californie un cycle de conférences visant illustrer l'application des méthodes de chimie physique à l'étude de la théorie de toxines et antitoxines, ensuite publiés (en 1907) sous le titre Immunochemistry.
Il se passionne pour la géologie et le paléoclimat et en particulier l'origine des périodes glaciaires.
Il se forge une cosmogonie, en étudiant notamment l'astronomie et l'astrophysique^[9], le décompte temporel de l'évolution du système solaire et s'intéresse aux collisions interstellaires.
Il cherche à estimer la pression du rayonnement sur les comètes, la couronne solaire, les aurores boréales, et la lumière zodiacale.
Il soutient que la vie pourrait avoir été transportée de planète à planète via le transport dans l'espace interplanétaire de spores poussées par les radiations, théorie aujourd'hui connue sous le nom de panspermie, qui a connu d'autres développements avec l'exobiologie.

Il songe enfin à un langage universel et pour le créer propose une modification de la langue anglaise.

À la fin de sa vie, il écrit des manuels scolaires et des livres de vulgarisation, en tentant de mettre l'accent sur la nécessité de poursuivre les travaux sur les sujets auxquels il a travaillé.

En septembre 1927, il tombe malade (une attaque de catarrhe intestinale aiguë) et meurt le 2 octobre.
Il est enterré à Uppsala.

Distinctions

En 1901, il est élu à l'académie suédoise des sciences, mais avec une forte opposition.
Il est en 1903, le premier suédois à être honoré par un prix Nobel (Prix Nobel de chimie)
Il est en 1902 lauréat de la Médaille Davy.
Il a également été lauréat du Faraday Lectureship de la Royal society of chemistry en 1914
et de la Médaille Franklin en 1920.

Bibliographie

• Svante Arrhenius ; Clyde Fisher; New York : American Museum of Natural History, 1927. (OCLC 14276893)
• Arrhenius, From Ionic Theory to the Greenhouse Effect.Elisabeth Crawford Voir (Publication Univ d'Upsala)

Notes et références

1. ↑ (Philosophical Magazine 1896(41): 237–76)
2. ↑ Annalen der Physik, 1901
3. ↑ Svante Arrhenius, Das Werden der Welten, Leipzig, Akademische Verlagsgesellschaft, 1907, Leipzig, 208 pages, 1907
4. ↑ en Lien vers ouvrage [pdf]
5. ↑ Page évoquant les spéculations d'Arhenius et Calendar sur le climat (American Institute of Physique, AIP)
6. ↑ « Species diversity and endemism of five major Malesian islands: diversity-area relationships », Marco Roos, Nationaal Herbarium Nederland, Universiteit Leiden branch (en) Résumé (13ème symphosium sur la Flore de Thailande, 11-15 Juin 2005 à Dublin, Irlande)
7. ↑ [1]
8. ↑ Histoire d’un mystère : l’intérieur de la Terre. Vincent Deparis, Maison des Sciences de l'Homme - Alpes, Grenoble., Publié par Benoît Urgelli, 2001 (http://planet-terre.ens-lyon.fr/planetterre/XML/db/planetterre/metadata/LOM-modeles-interieur-terre.xml Voir]
9. ↑ Svante Arrhenius, 1903, Lehrbuch der Kosmischen Physik, Vol I and II, S. Hirschel publishing house, Leipzig, 1026 pages

Voir aussi

• Loi d'Arrhenius
• Théorie de Bronsted-Lowry
• Histoire de l'électrochimie

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