Chimie fondamentale


Chimie fondamentale

Chimie

La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.

Pour reprendre un canevas de présentation proposée par la plus grande association de chimistes au monde, l'American Chemical Society, la chimie étudie :

  1. les éléments chimiques à l'état libre, atomes ou ions atomiques, et les innombrables et diverses 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.
  2. les processus qui changent ou modifient l'identité de ces particules ou molécules de matière, dénommés réaction, transformation, interaction...
  3. les mécanismes intervenant dans les processus chimiques ou les équilibres physique entre deux formes. Leurs définitions précises permettent de comprendre ou d'interpréter avec des hypothèses l'évolution matérielle avec en vue une exploitation des résultats de façon directe ou induite.
  4. les phénomènes fondamentaux observables en rapport avec les forces de la nature qui jouent un rôle chimique, favorisant les réactions ou synthèse, 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 des simples atomes ou molécules nanométriques aux édifices moléculaires de plusieurs dizaines de milliers d'atomes dans les macromolécules, l'ADN ou protéines de la matière vivante (infra)micrométrique, jusqu'à des dimensions parfois macroscopiques des cristaux. En incluant l'électron libre composant des réactions radicalaires, les dimensions des principaux domaines d'application se situent globalement entre le femtomètre (10-15 m)[1]et le micromètre (10-6 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 »[2] 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. Si la physique est devenue hégémonique dans le champ de la science de la matière, elle le doit à la considération de l'héritage cohérent des structures atomiques longtemps défendues de façon isolée par des chimistes marginaux avant le XXe siècle.

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Sommaire

Étymologie et Histoire

Étymologie

Le terme chimie nous vient du mot arabe الكيمياء al kemi, c'est-à-dire alchimie, littéralement la kemia, la chimie[3]. L'alchimie avant de s'égarer parfois dans une quête philosophale ou une théorisation absconse prend sa source dans un savoir précurseur de la chimie égyptienne, déformé et emprunté par les mondes hellénistiques et byzantins, puis préservé dans le monde musulman.

Khem(et) désigne la terre pour les anciens égyptiens. La chimie est l'art de la terre et le savoir sur la terre. Elle a connu différents essors entre 6000 et 2000 ans avant l'ère chrétienne.

Deux 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. La terre d'Égypte elle-même aurait été fort anciennement une terre conquise par des peuples noirs[4].
  • la racine grecque se lie à χυμεία, khumeia, « mélange de liquides » (χυμός, khumos, « suc, jus »)[5].

Les origines

L'art d'employer ou de trier, préparer, purifier, de 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. Elles sont 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 les transports sédimentaires, la progressive maîtrise des métaux et des terres, les Anciens Egyptiens connaissent 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... Plus encore que les huiles d'onction ou les bains d'eaux ou de boues relaxant ou guérisseurs, la chimie est 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'Ammon, conservatoire des fumures azotées et de la chimie ammoniacale antique. Nos repères de pensée taxonomique sont profondément influencés par les civilisations grecques et hellénistiques, férues de théorisations, qui ont esquissé sommairement ce qui encadre aux yeux profanes la chimie, la physique et la biologie.

Evolution avant l'apparition d'une science mécaniste

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 art de faire sont souvent segmentés à l'extrême, parfois amélioré dans le monde paysan, artisan ou minier avant de devenir une science expérimentale, la chimie, au cours des troisième et quatrième décennies du XVIIe siècle. Au même titre que la physique, le prodigieux essor de la pensée et de la modélisation mécanistes, fait naître la chimie sous forme de science expérimentale et descriptive. Riche de promesses, la chimie reste essentiellement qualitative et bute sur le retour incessant des croyances écartées.

La chimie a connu un énorme progrès quantitatif avec Antoine Lavoisier qui l'a promue en science exacte. Subsistaient acceptés par les croyances communes jusqu'en 1850, des alchimistes poursuivant la quête de la pierre philosophale 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; il est donc nécessaire de pouvoir distinguer ces deux termes restés dans le langage.

Les biographies des savants français et étrangers sont répertoriées dans les articles catégorie: chimiste ou dans la liste de chimistes.

Les représentations de l'atome et de la molécule

L'étude qualitative de la matière a naturellement conduit les premiers chimistes des années 1620-1650 à modéliser sa composition, puisant dans une abondante tradition antique. 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 est 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'ils dénomment molécules intégrantes ou constituantes[6]. Mais il a encore fallu l'obstination de nombreux chimistes souvent incompris, Jons-Jakob Berzelius en pionnier de l'électrovalence dès 1812, pour réaffirmer la possibilité d'une modélisation à la fois mécaniste et géométrique par le biais d'une architecture atomique. Un Auguste Laurent, proposant pour des séries homologues de molécules organiques un même squelette constitué d'atomes, était atrocement dénigré par les maîtres des laboratoires[7]. Mais malgré la suprématie et l'influence politique des équivalentistes, le revirement s'opère, porté par la reconnaissance des vieux succès de l'électrochimie préparative depuis Humphrey Davy et Michael Faraday et la volonté de corréler quantitativement nombre d'espèces chimiques et masse d'un corps pur. Le congrès de Karlsruhe organisé en 1860 par les amis de Friedrich August Kékulé von Stradonitz et d'Adolphe Wurtz ouvre la voie à des conventions atomiques[8]. Son influence éveille une intense recherche de classification des éléments qui débouche notamment sur les classifications périodiques de Mendéléiev et de Meyer. Elle entraine un renouveau d'intérêt pour les molécules[9]. Kékulé et Kolbe en chimie organique, Jacobus Henricus van 't Hoff en chimie générale et plus tard Alfred Werner en chimie minérale établissent les fondements de la représentation des structures moléculaire[10].

Ce sont les physiciens attirés par la belle cohérence de la chimie des décennies suivantes qui ont poursuivi à une échelle plus précise les recherches sur la structure de la matière. 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 fait 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 dès le début de l'entre-deux-guerres sur le modèle rival proposé par Erwin Schrödinger renforcée pas les compléments matriciels de Werner Heisenberg, l'affinement théorique de Wolfgang Pauli a déjà pris son envol malgré les contestations appliquées et systématiques d'Albert Einstein. Des années 1930 à notre XXIe siècle, la mécanique quantique explique le comportement de l'atome et des molécules.

Article détaillé : Atome.

Disciplines de la chimie

La recherche et l'enseignement en chimie sont organisés en disciplines qui, souvent en absence de services, de coopération ou d'aides réciproques, s'ignorent et se développent en toute autonomie :

  • la biochimie qui étudie les réactions chimiques dans des milieux biologiques (cellules…) et/ou avec des objets biologiques (protéines…).
  • la chimie analytique est l'étude des méthodes d'analyses qualitatives et/ou quantitatives qui permettent de connaître la composition d'un échantillon donné ; ses principaux domaines sont : la chromatographie et la spectroscopie;
  • la chimie des matériaux est 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 est la description et l'étude des composés comportant un squelette d'atomes de carbone (composés organiques) ;
  • la chimie physique dont l'objet est 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, la sonochimie et les spectroscopies.
  • la chimie théorique est 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).

Il existe d'autres domaines spécialisés ou d'interface :

agrochimie, astrochimie, catalyse homogène, catalyse hétérogène, carbochimie, chimie de l'atmosphère et de la haute atmosphère, chimie bioinorganique, chimie du carbone, chimie environnementale, chimie industrielle, chimie médicinale, chimie nucléaire, chimie organométallique, chimie des argiles et zéolithes, chimie de la combustion et des milieux plasma, chimie des polymères, chimie des sucres, chimie des surfaces, chimie des solutions, chimie radicalaire, chimie supramoléculaire, chimie verte, électrochimie, génie chimique, géochimie, immunochimie, microchimie, nanotechnologie, pétrochimie, pharmacologie, photochimie, phytochimie, tribologie.

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

  • avec la physique
Il n'existe pas de frontière clairement définie entre la physique et la chimie, mais, sont considérés généralement comme relevant de la chimie, les phénomènes provoqués par les réactions entre les constituants de la matière et entraînant 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 œuvre dans les phénomènes chimiques font que seuls les électrons périphériques sont concernés. 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
Il n'existe pas non plus de frontière clairement définie entre la chimie et la biologie. En effet, la délimitation n'est pas bien définie entre la biochimie, qui est la sous-discipline de la chimie qui étudie les réactions chimiques dans des milieux biologiques (cellules…) et/ou avec des objets biologiques (protéines et autres biomolécules…) et la biologie moléculaire qui est la sous-discipline de la biologie qui s'intéresse à la compréhension des processus biologiques au niveau moléculaire.
  • avec la science des matériaux
La chimie est omniprésente 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 est largement tributaire des 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 chimie est majoritairement l'anglais. Dès années 1880 à la Grande Guerre, l'allemand, l'anglais et le français ont pourtant été des langues véhiculaires nécessaires aux savants. Mais survient l'éclipse du français dans l'entre-deux-guerre[11]. 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.

Initiation au vocabulaire chimique

L'eau : trois atomes, deux éléments, deux liaisons, une molécule. Un atome d'oxygène (ici en rouge), se lie à deux atomes d'hydrogène (ici en blanc).

Un élément est une entité immatérielle dénuée de propriétés physiques ou chimiques. C'est 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. Il existe 92 éléments naturels et 17 artificiels connus. Un élément chimique désigne abstraitement l'ensemble des atomes qui ont un nombre donné de protons dans leur noyau[12]. Ce nombre est son numéro atomique. Par exemple, tous les atomes avec 6 protons dans leurs noyaux sont des atomes de l'élément carbone C. Ces éléments sont représentés dans le tableau périodique, qui rassemble les éléments de propriétés similaires.

L'atome d'une espèce chimique est une entité matérielle. Il 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 négatives 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 isotope d'une espèce atomique est une entité matérielle caractérisée par : le symbole de son élément, le nombre Z qui est 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 pour les atomes suffisamment lourds.

Une molécule est un assemblage précis d'atomes, domaine défini et structuré dans l'espace et le temps par des liaisons chimiques fortes[13]. 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[14]. 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, par 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.

Un corps pur est un corps généralement macroscopique constitué au niveau moléculaire d'une seule espèce chimique[15]. Sa composition chimique, son organisation sous forme de gaz, liquide, solide amorphe ou réseaux cristallins...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[16].

Un composé chimique désigne l'espèce chimique d'un corps composé. Un corps pur est caractérisé par sa formule chimique, écriture symbolique qui peut être plus ou moins complexe et détaillée, de sa composition chimique. La masse molaire d'un corps pur correspond au nombre d'Avogadro de son espèce chimique ou simple molécule.

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

Une réaction chimique est 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. La réaction qui possède des caractéristiques thermiques nécessite ou fait apparaître différentes formes d’énergie en rapport avec l'énergie de liaison chimique.

Une réaction d'oxydo-réduction met en jeu une perte ou un gain d’électron entre différents couples d'espèces chimiques. Une espèce d'un corps chimique avide d'électrons et ayant la capacité d’arracher des électrons d’autres corps chimiques est appelée oxydant. De la même façon, une espèce d'un corps chimique grouillant d'électrons et capable de donner des électrons à une autre est appelée réducteur.

Les réactions acides-bases en milieu solvant 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 prennent une forme acide ou base. Svante Arrhenius a mis en évidence dans les solutions aqueuses l'échange de protons entre les composés chimiques, la concentration en ion hydronium indique l'acidité du milieu comme la concentration en ion hydroxyle la basicité. Une extension de la modalité de classification à d'autres milieux solvants a été conduite par le chimiste américain Gilbert Newton Lewis .

Enseignement

L'enseignement, du moins en France, se borne souvent au niveau élémentaire et, dans le meilleur des cas, à une didactique de la chimie. Le laboratoire est souvent le meilleur endroit de formation à cette science expérimentale, mais il nécessite des moyens coûteux et une lourde surveillance et une organisation souvent disproportionnée pour un usage souvent trivial.

France

En 2009 en France, la chimie est enseignée à partir du collège en même temps que la physique dès la cinquième à raison d'une heure et demie en moyenne, par semaine.

Ensuite, au lycée, les élèves commencent par avoir 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 chimie dépend du choix d'orientation des élèves : jusqu'en première uniquement pour les élèves des filières littéraires et économico-sociales ; et jusqu'en terminale pour les élèves des filières scientifiques, STL, STAV et ST2S.

Enfin, la chimie peut être étudiée après le baccalauréat en CPGE, en UFR de chimie, en IUT de chimie ou en école de chimie. Les écoles d'ingénieurs dans le domaine de la chimie sont regroupées au sein de la fédération Gay-Lussac.

Le site http://www.lesmetiersdelachimie.com propose un générateur d'itinéraires emploi formation reposant sur une -base de données exhaustive des formations.

Québec

En 2009 au Québec, les cours de chimie et de physique sont des options que peut prendre l'élève de cinquième secondaire, poussant plus loin le cours de "sciences et technologie" qu'il a été obligé de suivre durant les dernières années de son secondaire. Les options de chimie et de physique servent comme critère d'admission dans plusieurs programmes du cégep.

Suisse

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

Industrie

Article détaillé : Industrie chimique.

L'industrie chimique se développe continûment à la fin du siècle des Lumières. Si la métallurgie n'est pas oubliée, le progrès est partout observable. Le fer blanc devient un produit commun entre 1770 et 1780. Puis après 1780, outre les métaux, elle mêle des fabrications millénaires à des innovations récentes : les acides et la soude, l'ammoniac, le chlore et les chlorures décolorants, le phosphore et ses dérivés, les savons et acides gras, l'hydrogène, l'éther, l'éthylène, l'alcool de vin, l'acide acétique et 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 XIXe siècle et participe pleinement aux fortes mutations de la révolution industrielle[17]. Le gaz d'éclairage, produit de la distillation de la houille ou charbon gras, lance l'immense développement de la carbochimie. La découverte de métaux, leurs préparations au laboratoire, puis au stade industriel, ainsi en-est-il de l'aluminium et des métaux alcalins et alcalino-terreux, témoignent de la vigueur de la science très proche de l'industrie.

En 1900, usines et laboratoires fabriquent déjà dans le monde plus de 100 000 composés, mettant en œuvre des centaines de réactions chimiques types. Chercheurs et institutions savantes décrivent et référencent procédés, réactions et molécules[18].

L'industrie chimique représente une part importante de l'activité économique des grands pays industriels au XXe 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 est 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, retenons les secteurs suivants :

  • 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
  • piles, batteries, électrochimie appliquée
  • traitement de surface, galvanoplastie
  • 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
  • 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 présentes en tout ou partie :
  • lubrifiants, graisses, produits à propriétés tribologiques
  • colorants, intermédiaires de réactions photochimiques
  • macromolécules, polymères, plastiques et thermodurcissables
  • peinture, vernis,
  • traitement de fibres textiles, apprêt et teinture
  • détergents, agents de surface, produits décapants ou de nettoiement, adoucissants des eaux
  • médicaments, antibiotiques
  • produits phytosanitaires, insecticides, herbicides

Cette industrie peut se scinder en deux grands types :

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.

Recherche

Un monde de la recherche

Si les approches supposées définir la chimie dans les différentes parties de cet article semblent bizarres à un chimiste - et en effet, avec la forte imprégnation d'une vision scolastique s'y esquisse l'épistémologie, l'histoire, la didactique, l'enseignement, les rapports au grand public... à défaut d'une sociologie apparente de la science chimique, bref, tout sauf de la chimie - induisant des images avortées aux yeux du spécialiste, c'est que la chimie n'existe véritablement que dans le flux de la recherche. Cette science s'actualise, au jour le jour et depuis plusieurs siècles, par la manipulation à la paillasse ou avec l'instrumentation la plus sophistiquée, affine ses modèles mois après mois, laissant des résultats qui, années après années, modifient insensiblement et irréversiblement les pensées sur la matière. Et ce champ se construit sur des thèmes choisis, imposés ou dérivés au point qu'un constat humoristique en partie extérieur, par exemple celui du physicien Pierre-Gilles de Gennes, pouvaient la qualifier d'une fabuleuse réunion d'auberges espagnoles.

Lieu de vie et de labeur hiérarchisé et segmenté, le laboratoire laisse entrer de nombreux thèmes imposés par la société. En premier lieu, en quête de budgets pour sa subsistance économique, il laisse venir les besoins et les impératifs de l'industrie, marquant dans le meilleur des cas ses résultats par des prises de brevets conjointes avec le donneur d'ordre. Ne rejetant pas les références institutionnelles pour sa nécessaire existence publique ou médiatique, il est flatté des demandes officielles et sa reconnaissance dans les domaines de l'expertise, de l'encadrement et de la formation couronne son existence. Mais pour les meilleurs chercheurs au sein des organisations efficacement gérées ou privilégiées, les thèmes dérivés s'imposent, car compréhension des découvertes et course à l'invention les font entrer dans une captivante émulation si l'ardeur reste scientifique ou une féroce concurrence si elle se mâtine de gains économiques ou de monopoles, souvent pédagogiques ou d'expertise, par le soutien politique.

Il reste enfin une minorité de chercheurs, de l'ordre de quelques centièmes, plus ou moins écoutés selon les moments, défendant les thèmes fondamentaux et définissant par leurs écrits et conférences, les acquis et les applications de leurs disciplines. Ces chercheurs puristes ou engagés s'acharnent à poursuivre l'enquête scientifique au sens noble, soucieux de description, de fiabilité des mesures, de réitération et de recherches complémentaires sur des sujets moins à la mode, mais selon eux fondamentaux[19]. Ils comptent parmi eux les modestes opérateurs collectifs de la gigantesque maîtrise d'œuvre collective qu'est la science, les défenseurs d'une éthique, les piliers et dirigeants des comités de revues ou des associations, les réformateurs ou microadaptateurs de la nomenclature en vigueur.

Même dans la description de la chimie la plus authentique, l'écueil d'un aperçu sociologique ne peut être évité que par l'anecdote et l'histoire d'abord personnelle d'une recherche. Ainsi ce chimiste du Middle West américain définissant la naissance de sa recherche en chimie organique comme le fruit né de la contemplation puis de l'observation raisonnée des feuilles mortes de sa ville. C'est ce simple déchet végétal collecté, puis transformé en compost, par dégradation microbienne et action des levures et champignons, puis recyclé en terre dans les jardins ou autres lieux d'épandage, qui est à l'origine de sa vocation. La chimie ici ne peut se dissocier de la formidable action chimique du vivant et, tôt ou tard remise dans une large perspective évolutive prenant en compte les paramètres physico-chimiques, des multiples "inventions" du vivant sous toutes les latitudes et dans tous les milieux. Tant il est vrai que l'étude précise d'une petite fraction d'un cycle terrestre débouche sur l'attrait d'en savoir plus et de poursuivre l'enquête. D'une manière analogue, on ne peut comprendre les débats de la chimie stellaire que par l'attrait initial des composants intimes des atomes et molécules induisant une course à leur origine.

Institutions ou associations nationales

  • Royal Australian Chemical Institute

Prix

Applications et toxicologie

La chimie est à l'œuvre partout dans la nature, les corps vivants, les choses de la vie quotidienne sans que l'observateur attentif ne l'imagine. Un chimiste est dès l'origine un expert des bilans matière et énergie et il sait intuitivement qu'il devrait prendre en compte tous les milieux et les acteurs microbiologiques, végétaux, animaux et humains. Lui en laisse-t-on les moyens ?

De la chimie en bien et en mal

Citons quelques applications. D'abord la mesure. L'analyse précise de solutions diluées complexes, comme celle de l'eau reconnue potable ou celles des eaux minérales du commerce, est le fruit de longues mises au point analytiques, aujourd'hui très vite réalisées et banales. Les chimistes spécialistes des eaux ont un rôle de surveillance des eaux naturelles et de leurs qualités ou toxicités éventuelles. Si les progrès substantiels avaient été réalisés, le recours à la désinfection chimique de l'eau du robinet avant consommation pourrait être modérer. 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 commence avec la fabrication et l'usage du sel, nécessaire à l'alimentation et capital pour les vieux procédés de longues conservation des aliments. Aujourd'hui les produits de l'industrie agro-alimentaire ont recours à une gamme plus variée de conservateurs, agents de conservation ou agents nutritif, additifs alimentaires comme les colorants, les arômes artificiels, les édulcorants...

Des emballages alimentaires à la préservation des récoltes, une connaissance raisonnée de chimie des matériaux et des aliments permet d'éviter le gaspillage et les déperditions tout en préservant la qualité et propriétés nutritionnelles des futurs aliments. Suivant l'usage, les emballages peuvent être 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 recellent.

L'agriculture a subi une mutation technologique et elle est devenue fortement dépendante d'intrants chimiques. Il est certain 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 être 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 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 recellent des bienfaits potentiels ou de terribles dangers selon les usages ou les buts visés. 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, car pour lui cette matière de choix permet de réaliser d'autres molécules chimiques à usage variés qui, seulement au terme de leur usage, pourrait être brûler. Le gain sur une courte échelle de temps d'une famille de produits chimiques, parfois peu sophistiqués, permet d'obtenir des profits évidents. Ainsi des récoltes plus abondantes en enrichissant les sols pauvres et en éliminant les insectes nuisibles, les champignons parasites et les mauvaises herbes. Mais qu'en est-il à longue durée ? Après l'éradication de multiples espèces d'oiseaux, l'affaiblissement des hyménoptères butineurs, n'est-il pas temps d'une prise de conscience générale des dommages causés à l'environnement ? Les sociétés agrochimiques produisent alors de nouveaux produits plus efficaces plus efficaces plus ciblés qui peuvent soit respecter mieux l'environnement soit entraîner d'autres catastrophes 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 tous types de matières et de matériaux : textile synthétique (nylon, lycra, fibre PVC dite polaire, mobilier en matière plastique, etc.

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

Un nombre important d'applications chimiques ont trouvés 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 est une parente pauvre et 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 connue du toxicologue qu'à 1%. Le progrès n'est plus visible depuis longtemps, c'est un chamboulement, un gain éhonté pour certains, une menace vital pour les moins favorisés, mais comment essayer de maîtriser et de juguler le danger sans faire confiance à la collégialité de différents chimistes, renforcées d'équipes expertes de physiciens et de biologistes, et à leurs éthiques scientifiques ?

Santé et environnement

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

Dans le domaine « Santé-Environnement », la chimie constitue une source de problème via certains polluants qu'elle crée ou contribue à diffuser dans l'environnement, en particulier les produits chimiques toxiques ou écotoxiques dont les CMR « cancérigènes, mutagènes, 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 seraient "au premier rang des accusés" de 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, le gouvernement français (à travers l'Iresp, structure de recherche créée par l'Inserm et 20 partenaires) et l'Afsset) a organisé un colloque sur ce thème: "Environnement chimique, reproduction et développement de l'enfant." Les principales matières incriminées sont les phtalates et le bisphénol A[20], deux additifs présents dans les matières plastiques.

Risques et réglementation

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.

La chimie fantasmée

Le chimiste apparaît souvent en personnage caricatural de la littérature, de la bande dessinée et surtout du cinéma. Ces savants échevelés ou docteurs désopilants, à la fois et confusément biologiste, chimistes et physiciens, sont des êtres sourds au monde vrai ou perdu hors du laboratoire et de l'étude, à moins de remonter le temps, d'aller dans un autre monde ou sur la Lune, à l'image du professeur Tournesol. Ils interviennent surtout de façon intermittente, leur action est tantôt décisive tantôt inquiétante car il oriente la fiction.

Dans un registre comique, alliant de façon classique la chimie et l'amour, citons le regretté Jean Lefebvre jouant Le Fou du labo IV, film de Jacques Besnard - Eugène Ballanchon en 1967.

Littérature

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

Il faut toutefois soustraire à ce noir 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, illustre un élément du tableau de Mendéléiev. 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.

Citation

  • En sentiment comme en chimie, rien ne se crée, rien ne se perd, Alfred Capus, Les pensées.

Bibliographie

Ouvrage de découverte

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  • Robert Luft, Dictionnaire des corps purs simples de la chimie, Association Cultures et Techniques, Nantes,1997, 392 pages. ISBN 2-9510168-3-2
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  • Ben Selinger, Chemistry in the Marketplace, Fifth Edition, Harcourt Brace, Sydney, 1998, 588 pages. ISBN 0 7295 3300 X

Une science expérimentale

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  • Mireille Defranceschi, 144 manipulations de chimie générale et minérale, ellipses, 1990, 192 pages. ISBN 2-7298-9068-8
  • Christophe Bureau, Mireille Defranceschi, Des teintures égyptiennes aux micro-ondes, 100 manipulations de chimie, ellipses, 1993, 208 pages. ISBN 2-7298-9335-0
  • Stanislas Antonik, Montage de Chimie organique, Tome 1, ellipses, 1996, 190 pages. ISBN 2-7298-9666-X
  • Sylvie Haurat-Bentolila, Emmanuelle Lecorgne, Olivier Leduc, « Chimie-Tout », expériences commentées, Association Cultures et Techniques, Nantes,1995, 392 pages. ISBN 2-9502444-6-7
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  • Dominique Crouzet-Deprost, Karine Déprés-Homo, Sophie Sadou et Josette Fournier, Chimie dans la maison, Association Cultures et Techniques, Nantes, 1996, 446 pages. ISBN 2-95101 68-2-4
  • Marie Terrien, Josette Fournier, Chimie du petit déjeuner, Association Cultures et Techniques, Nantes,1998, 304 pages. ISBN 2-9510168-5-9

Enseignement général, initiation ou formation à quelques spécialités de la Chimie

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  • René Didier, Chimie générale, collection de sciences physiques, Technique et documentation, J.b baillère et Lavoisier, Troisième tirage, 1988, 478 pages. ISBN 2-85206-163-5
  • Claude Moreau, Jean-Paul Payen, Chimie, guides prépas Mathématiques supérieures MPSI PTSI, édition Belin, Paris, 1995, 318 pages. ISBN 2-7011-1789-5
  • Clyde R. Metz, Chimie Physique, Série Schaum, McGraw-Hill, Paris, 1985. Traduction par R. Jacoud de Theory and problems of physical chemistry, Tome 1, 234 pages. ISBN 2-7042-1037-3 et Tome 2, 204 pages. ISBN 2-7042-1038-1
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  • Jean-Louis Rivail, Eléments de chimie quantique à l’usage des chimistes, Savoirs actuels, InterEditions/édition du CNRS, Paris, 1989, 426 pages. ISBN 2-7296-0193-7
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  • Harald Günther, La spectroscopie de RMN, principe de base, concept et applications de la spectroscopies de résonance magnétique nucléaire du proton et du carbone 13 en chimie, Science de l’ingénieur, Masson, 1993, 558 pages, traduction de Jean et Jean-Jacques Suffert de l’ouvrage allemand NMR-Spectrokopie 3/E, Georg Thieme Verlag, 1992, ISBN 2-225-84029-6
  • Robert Rosset, Marcel Caude, Alain Jardy, Manuel pratique de chromatographie en phase liquide, 2° édition revue, Masson, Paris, 1995, 374 pages. ISBN 2-225-85126-3
  • Jean Poré, Emulsions, micro-émulsions, émulsions multiples, Editions Techniques des Industries des Corps Gras, Neuilly, 1992, 270 pages. ISBN 2-9507241-0-8
  • Georges Champetier (dir.), Chimie macromoléculaire, Hermann, éditeurs des sciences et des arts, Paris, réédition des deux tomes en 1988, Tome 1, 808 pages, ISBN 2-7056-5553-0 et Tome 2 : 890 pages, ISBN 2-7056-5707-X
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    1. Physico-chimie, 213 pages
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    3. Chimie des polymères, 1981, 396 + 72 pages.
    4. Quelques grands polymères industriels, synthèse, propriétés, mise en œuvre et applications (polyéthylènes, polypropylènes, polyesters, polyuréthanes, élastomères), 1982, 542 pages
    5. Exercices et travaux dirigés en sciences des polymères
    6. Mélanges de polymères, 1986, 292 pages.
    7. Matériaux composites à base de polymères, 1989, 468 pages.
    8. Structure des polymères et méthodes d’études, 1990, 580 pages.
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  • Groupe français d’études et d’applications des polymères, Synthèse, propriété et technologie des élastomères.
  • Maurice de Keghel, Traité général de la fabrication des colles, des glutinants et matières d’apprêts, Gauthier-Villars, Paris, 1959, 764 pages.
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  • Robert Perrin, Jean-Pierre Scharff, Chimie industrielle, Masson, Paris, 1993, 1136 pages en deux tomes avec bibliographie et index. ISBN 2-225-84037-7 et ISBN 2-225-84181-0
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  • Paul Rigny (dir. L’Actualité chimique Livres), Mélanie Spotheim-Maurizot, Mehran Mostafavi, Thierry Douki, Jacqueline Belloni (ed.), Radiation chemistry, from basics to applications in material and life sciences, EDP sciences, Les Ulys, France, 2008. 306 pages. ISBN 978-2-7598-0024-7
  • Laura Sigg, Werner Stumm, Philippe Behra, Chimie des milieux aquatiques, chimie des eaux naturelles et des interfaces dans l’environnement, 2° édition, Masson, Paris, 1994, 391 pages, préface de F. Morel. ISBN 2-225-84498-4

Revues, handbook et traités encyclopédiques

  • Beilstein Handbook of Organic Chemistry, Chemical abstracts Service, Chemical Handbook.
  • Uhlmann’s encyclopedia, Traité Pascal.
  • Catalogue commerciaux de référence Merck, Fieser, Janssen…
  • Actualité chimique, revue de la Société Chimique de France (ancienne SFC)
  • Robert H. Perry, Don Green, Perry’s Chemical Engineers’Handbook, sixth edition, Chemical Engineering Series, Mc Graw-Hill international editions, 1987, ISBN 0-07-049479-7

Histoire et ouvrages jalons d’une époque

  • Fred Aftalion, Histoire de la chimie, Masson, Paris, 1988, 386 pages. ISBN 2-225-81420-1
  • Laurence Lestel (coordination), Itinéraires de chimistes, 1857-2007, 150 ans de chimie en France avec les présidents de la SFC, éditions EDP Sciences et Société française de Chimie, 2008, 582 pages, ISBN 978-2-86883-915-2
  • Justus Liebig, La Chimie agricole, collection Sciences du Comité des Travaux Historiques et Scientifiques, Paris, 2009. Texte traduit de la première parution allemande en 1840, présenté et annoté par Marika Blondel-Miegrelis, ISBN 978-2-7355-0504-3
  • L. Troost, Traité élémentaire de chimie, Masson, Paris, 1880 (6° édition), 876 pages.
  • Louis Hackspill, Jean Besson, André Hérold, Traité de Chimie minérale, collection Euclide, Presse Universitaire de France, Paris, 1958.

Notes et références

  1. Le rayon de l'électron est de 2,8 × 10-15 m (voir Lange's Handbook of Chemistry
  2. (en) Theodore L. Brown Chemistry: The Central Science. Prentice Hall, 1977. ISBN 0131287699.
  3. (fr) Définitions lexicographiques et étymologiques de Alchimie du CNRTL.
  4. Le fabuleux héritage de l'Égypte, C. Desroches Noblecourt, Pocket 2006, p. 172
  5. (fr) Étymologie d’alchimie du centre national de ressources textuelles et lexicales
  6. En 1814, André-Marie Ampère de façon indépendante découvre la même idée sur les gaz, mais il brouille pour des décennies la nomenclature en appelant les particules atomes.
  7. Claude Lécaille, L'atome : chimère ou réalité ? Débats et combats dans la chimie du XIXe siècle, Collection Inflexions, Vuibert, Adapt-SNES, Paris, 2009.
  8. Stanislao Cannizzaro, suscitant l'enthousiaste du congrès longtemps indécis, rétablit la théorie d'Avogadro et réclame un système de masse atomique.
  9. Loschsmidt estime par calcul de théorie cinétique en 1865 leur taille à un nanomètre.
  10. Alain Dumon et Robert Luft, Naissance de la chimie structurale, Coll. Science et Histoire, EDP Sciences, Les Ulis, 2008.
  11. On le ressent fortement si l'attention est porté sur des thèmes précis. Ainsi L. Leclercq, « La chimie française vers les mécanismes réactionnels (1800-1930) », L'Actualité chimique [N° 329, avril 2009], p. 42-50.
  12. Dans la pratique des exposés scientifiques, l'élément désigne une partie commune aux corps simples et à tous les corps qu'il peut former. L'élément oxygène O évoque O2, 03, les composés oxygénés...
  13. Molécules provient de moles, désignant la masse ou le nombre de petits éléments de matière pour les atomistes.
  14. Liaison provient du latin, ligatio, façon de s'habiller. Le rôle de l'électron dans cet habillage moléculaire a été révélé par J.J. Thomson en 1897.
  15. Au niveau du laboratoire, le corps le plus pur possible est manipulable et facilement observable avec intérêt, il permet d'étudier les propriétés physiques concrètes qu'il est vain de reporter à la seule molécule.
  16. Citons parmi les corps simples, l'oxygène O2, l'ozone O3, le sodium Na, le soufre S8. Les corps simples sont différents des éléments. En 1871, Dmitri Mendeleïev qui impose cette distinction en 1871, affirme "le mot élément appelle l'idée d'atome". Remarquons aussi que le corps composé n'est pas un mélange.
  17. Le progrès est d'ailleurs beaucoup moins visible et apprécié dans la vie réelle, car il chamboule les modes de vie et bouleverse les vies précaires
  18. Catalogues, encyclopédies, ouvrage de référence type Beilstein apparaissent.
  19. Tout se passe souvent, aux yeux de juges extérieurs à ses préoccupations anachroniques, comme si l'enquêteur poursuivait inlassablement son investigation alors que le coupable est bien sûr trouvé depuis longtemps.
  20. "La chimie menace la reproduction humaine", in Le Monde, 25 novembre 2008, page 1 et 4

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acide - adsorption - alliage - allotropie -ampholyte - atome - base - catalyseur - céramique - composé chimique - corrosion - corps pur - couche de valence-degré d'oxydation - équation chimique - élément chimique - électronégativité - hydrolyse - ion - isotopes - ligand- métal - molécule - orbitale -oxydant - oxydo-réduction - pH - polymère - réaction chimique - réducteur - sel- tampon - valence - zwitterion

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