La nature atomique de la matière

(Le modèle théorique actuel de l’atome implique un noyau dense entouré d’un « nuage » probabiliste d’électrons.)

La théorie atomique est la théorie scientifique selon laquelle la matière est composée de particules appelées atomes. La théorie atomique tire ses origines d’une ancienne tradition philosophique connue sous le nom d’atomisme. Selon cette idée, si l’on prenait un morceau de matière et le coupait en morceaux de plus en plus petits, on finirait par atteindre un point où les morceaux ne pourraient plus être coupés en quelque chose de plus petit. Les philosophes grecs antiques appelaient ces hypothétiques particules ultimes de matière atomos, un mot qui signifiait « non coupable ».

Au début des années 1800, le scientifique John Dalton a remarqué que les substances chimiques semblaient se combiner et se décomposer en d’autres substances en poids dans des proportions suggérant que chaque élément chimique est finalement composé de minuscules particules indivisibles de poids constant. Peu de temps après 1850, certains physiciens développent la théorie cinétique des gaz et de la chaleur, qui modélise mathématiquement le comportement des gaz en supposant qu’ils sont constitués de particules. Au début du 20e siècle, Albert Einstein et Jean Perrin ont prouvé que le mouvement brownien (le mouvement erratique des grains de pollen dans l’eau) est causé par l’action des molécules d’eau; cette troisième ligne de preuves a fait taire les doutes restants parmi les scientifiques quant à savoir si les atomes et les molécules étaient réels. Tout au long du XIXe siècle, certains scientifiques avaient averti que la preuve des atomes était indirecte et que, par conséquent, les atomes pourraient ne pas être réels, mais sembler seulement réels.

Au début du 20e siècle, les scientifiques avaient développé des modèles assez détaillés et précis de la structure de la matière, ce qui a conduit à des classifications plus rigoureusement définies pour les minuscules particules invisibles qui composent la matière ordinaire. Un atome est maintenant défini comme la particule de base qui compose un élément chimique. Au tournant du 20e siècle, les physiciens ont découvert que les particules que les chimistes appelaient « atomes » étaient en fait des agglomérations de particules encore plus petites (particules subatomiques), mais les scientifiques ont gardé le nom hors de la convention. Le terme particule élémentaire est maintenant utilisé pour désigner des particules qui sont en fait indivisibles.

L’histoire

Atomisme philosophique

L’idée que la matière est composée d’unités discrètes est une idée très ancienne, apparaissant dans de nombreuses cultures anciennes telles que la Grèce et l’Inde. Le mot « atome » (grec: ἄτομος; atomos), qui signifie « non coupable », a été inventé par les philosophes grecs pré-socratiques Leucippe et son élève Démocrite (c.460 – c.370 av. J.-C.). Démocrite a enseigné que les atomes étaient en nombre infini, incréés et éternels, et que les qualités d’un objet résultent du type d’atomes qui le composent. L’atomisme de Démocrite a été raffiné et élaboré par le philosophe grec plus tard Epicurus (341-270 BC), et par le poète épicurien romain Lucrèce (c.99-c.55 av. J.-C.). Au début du Moyen Âge, l’atomisme était en grande partie oublié en Europe occidentale. Au XIIe siècle, l’atomisme est redevenu connu en Europe occidentale grâce à des références à celui-ci dans les écrits d’Aristote récemment redécouverts.

Au XIVe siècle, la redécouverte d’œuvres majeures décrivant les enseignements atomistes, notamment De rerum natura de Lucrèce et Vies, doctrines et sentences des philosophes illustres de Diogène Laërtius, a conduit à une attention accrue des chercheurs sur le sujet. Néanmoins, parce que l’atomisme était associé à la philosophie de l’épicurisme, qui contredisait les enseignements chrétiens orthodoxes, la croyance aux atomes n’était pas considérée comme acceptable par la plupart des philosophes européens. Le prêtre catholique français Pierre Gassendi (1592–1655) a relancé l’atomisme épicurien avec des modifications, arguant que les atomes ont été créés par Dieu et, bien qu’extrêmement nombreux, ne sont pas infinis et la première personne à utiliser le terme « molécule » pour décrire l’agrégat d’atome. La théorie modifiée des atomes de Gassendi a été popularisée en France par le médecin François Bernier (1620–1688) et en Angleterre par le philosophe naturel Walter Charleton (1619–1707). Le chimiste Robert Boyle (1627–1691) et le physicien Isaac Newton (1642–1727) ont tous deux défendu l’atomisme et, à la fin du XVIIe siècle, il était devenu accepté par une partie de la communauté scientifique.

John Dalton

Vers la fin du XVIIIe siècle, deux lois sur les réactions chimiques ont émergé sans faire référence à la notion de théorie atomique. La première était la loi de conservation de la masse, étroitement associée aux travaux d’Antoine Lavoisier, qui stipule que la masse totale dans une réaction chimique reste constante (c’est-à-dire que les réactifs ont la même masse que les produits). La seconde était la loi des proportions définies. Établie pour la première fois par le chimiste français Joseph Proust en 1797, cette loi stipule que si un composé est décomposé en ses éléments chimiques constitutifs, les masses des constituants auront toujours les mêmes proportions en poids, quelle que soit la quantité ou la source de la substance d’origine.

John Dalton a étudié et développé ces travaux précédents et a défendu une nouvelle idée, plus tard connue sous le nom de loi des proportions multiples: si les deux mêmes éléments peuvent être combinés pour former un certain nombre de composés différents, alors les rapports des masses des deux éléments dans leurs divers composés seront représentés par de petits nombres entiers. Il s’agit d’un modèle courant dans les réactions chimiques qui a été observé par Dalton et d’autres chimistes à l’époque.

Exemple 1 – oxydes d’étain: Dalton a identifié deux oxydes d’étain. L’un est une poudre grise dans laquelle pour 100 parties d’étain, il y a 13,5 parties d’oxygène. L’autre oxyde est une poudre blanche dans laquelle pour 100 parties d’étain, il y a 27 parties d’oxygène. 13,5 et 27 forment un rapport de 1: 2. Ces oxydes sont aujourd’hui appelés respectivement oxyde d’étain (II) (SnO) et oxyde d’étain (IV) (SnO₂).

Exemple 2 – oxydes de fer: Dalton a identifié deux oxydes de fer. L’un est une poudre noire dans laquelle pour 100 parties de fer, il y a environ 28 parties d’oxygène. L’autre est une poudre rouge dans laquelle pour 100 parties de fer, il y a 42 parties d’oxygène. 28 et 42 forment un rapport de 2: 3. Ces oxydes sont aujourd’hui connus sous le nom d’oxyde de fer (II) (mieux connu sous le nom de wüstite) et d’oxyde de fer (III) (le principal constituant de la rouille). Leurs formules sont respectivement FeO et Fe₂O₃.

Exemple 3 – oxydes d’azote: Il y a trois oxydes d’azote dans lesquels pour chaque 140 g d’azote, il y a respectivement 80 g, 160 g et 320 g d’oxygène, ce qui donne un rapport de 1: 2: 4. Ce sont respectivement l’oxyde nitreux (N₂O), l’oxyde nitrique (NO) et le dioxyde d’azote (NO₂).

Ce schéma récurrent suggère que les produits chimiques ne réagissent pas en quantité arbitraire, mais en multiples d’une unité de masse indivisible de base.

Dans ses écrits, Dalton a utilisé le terme « atome » pour désigner la particule de base de toute substance chimique, pas strictement pour les éléments comme c’est la pratique aujourd’hui. Dalton n’a pas utilisé le mot « molécule »; à la place, il a utilisé les termes « atome composé » et « atome élémentaire ».

Dalton pensait que la théorie atomique pouvait également expliquer pourquoi l’eau absorbait différents gaz dans des proportions différentes – par exemple, il a découvert que l’eau absorbait le dioxyde de carbone bien mieux qu’elle n’absorbait l’azote. Dalton a émis l’hypothèse que cela était dû aux différences de masse et de complexité des particules respectives des gaz. En effet, les molécules de dioxyde de carbone (CO₂) sont plus lourdes et plus grosses que les molécules d’azote (N₂).

Dalton a proposé que chaque élément chimique soit composé d’atomes d’un seul type unique, et bien qu’ils ne puissent pas être modifiés ou détruits par des moyens chimiques, ils peuvent se combiner pour former des structures plus complexes (composés chimiques). Cela marqua la première théorie véritablement scientifique de l’atome, puisque Dalton parvint à ses conclusions par l’expérimentation et l’examen des résultats de manière empirique.

En 1803, Dalton présenta oralement sa première liste de poids atomiques relatifs pour un certain nombre de substances. Cet article fut publié en 1805, mais il n’y expliqua pas exactement comment il avait obtenu ces chiffres. La méthode a été révélée pour la première fois en 1807 par sa connaissance Thomas Thomson, dans la troisième édition du manuel de Thomson, A System of Chemistry. Enfin, Dalton a publié un compte rendu complet dans son propre manuel, A New System of Chemical Philosophy, 1808 et 1810.

Dalton a estimé les poids atomiques en fonction des rapports de masse dans lesquels ils se sont combinés, l’atome d’hydrogène étant pris comme unité. Cependant, Dalton n’a pas conçu qu’avec certains éléments, les atomes existent dans les molécules – par exemple. l’oxygène pur existe sous forme d’O₂. Il croyait également à tort que le composé le plus simple entre deux éléments était toujours un atome de chacun (il pensait donc que l’eau était HO, pas H₂O). Ceci, en plus de la crudité de son équipement, a faussé ses résultats. Par exemple, en 1803, il pensait que les atomes d’oxygène étaient 5,5 fois plus lourds que les atomes d’hydrogène, car dans l’eau, il mesurait 5,5 grammes d’oxygène pour chaque gramme d’hydrogène et croyait que la formule de l’eau était HO. Adoptant de meilleures données, en 1806, il conclut que le poids atomique de l’oxygène doit en fait être de 7 au lieu de 5,5, et il conserve ce poids pour le reste de sa vie. D’autres à cette époque avaient déjà conclu que l’atome d’oxygène doit peser 8 par rapport à l’hydrogène égal à 1, si l’on suppose la formule de Dalton pour la molécule d’eau (HO), ou 16 si l’on suppose la formule moderne de l’eau (H₂O).

Avogadro

La faille de la théorie de Dalton a été corrigée en principe en 1811 par Amedeo Avogadro. Avogadro avait proposé que des volumes égaux de deux gaz quelconques, à température et pression égales, contiennent un nombre égal de molécules (en d’autres termes, la masse des particules d’un gaz n’affecte pas le volume qu’il occupe). La loi d’Avogadro lui a permis de déduire la nature diatomique de nombreux gaz en étudiant les volumes auxquels ils réagissaient. Par exemple: comme deux litres d’hydrogène réagissent avec un seul litre d’oxygène pour produire deux litres de vapeur d’eau (à pression et température constantes), cela signifie qu’une seule molécule d’oxygène se scinde en deux pour former deux particules d’eau. Ainsi, Avogadro a pu offrir des estimations plus précises de la masse atomique de l’oxygène et de divers autres éléments, et a fait une distinction claire entre les molécules et les atomes.

Mouvement brownien

En 1827, le botaniste britannique Robert Brown a observé que les particules de poussière à l’intérieur des grains de pollen flottant dans l’eau bougeaient constamment sans raison apparente. En 1905, Albert Einstein a émis l’hypothèse que ce mouvement brownien était causé par les molécules d’eau frappant continuellement les grains et a développé un modèle mathématique hypothétique pour le décrire. Ce modèle a été validé expérimentalement en 1908 par le physicien français Jean Perrin, fournissant ainsi une validation supplémentaire pour la théorie des particules (et par extension la théorie atomique).