| Prix
Nobel de 1905 à 1909 |
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1905 : Adolf Johann Friedrich Wilhelm von Baeyer (11835 - 1917) |
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1906 : Ferdinand-Frédéric-Henri Moisssan (1852 - 1907) |
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1907 : Eduard Büchner (1860 - 1917) |
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1908 : Ernest Rutherford (1871 - 1937) |
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1909 : Friedrich Wilhelm Ostwald (1853 - 1932) |
Pour les services rendus à l'avancement de la chimie organique et industrielle, grâce à ses travaux sur les colorants organiques et les composés hydroaromatiques.
(Berlin, 1835 - Stamberg, 1917)
Fils d'officier, Adolf von Baeyer naît
à Berlin le 31 octobre 1835. Ayant fait des études
scientifiques dans sa ville natale, il choisit après quelques
hésitations de se spécialiser en chimie. Sa famille décide de
l'envoyer poursuivre sa formation à Heidelberg, dans le
laboratoire de Bunsen, où il fait la connaissance de futurs
célébrités comme Meyer, Boutlerov, Liebig et Beilstein. Il n'y
reste que peu de temps, et commence vraiment ses premières
recherches à Gand, sous la direction de Kékulé, inventeur des
formules chimiques développées en chimie organique. C'est ce
demier qui suscite chez Baeyer un intérêt très profond et
permanent pour la chimie structurale, et une vive passion pour la
synthèse organique.
De 1860 à 1872, Baeyer occupe une modeste fonction d'enseignant à Berlin. Puis il est envoyé à Strasbourg (l'Alsace vient d'être annexée par l'Empire allemand) pour fonder à 37 ans un laboratoire moderne dans l'Université nouvellement créée. Mais dès 1875, tout en conservant la direction de ce laboratoire (il la gardera jusqu'h l'âge de 80 ans), il part comme professeur à Munich occuper la chaire libérée par Liebig; il y reste jusqu'en 1915, et est alors remplacé par Willstátter qui, la même année, reçoit le prix Nobel de Chimie.
Baeyer, après avoir accompli une oeuvre extrêmement vaste, portant sur de nombreux sujets de chimie organique (dérivés de l'urée, le furfurole, le pyrrole, les acétyléniques, les aminophénols, les péroxydes, les dérivés nitrosés, etc.), s'était orienté principalement vers l'étude du domaine aromatique. Il ne fut récompensé qu'assez tardivement, puisqu'il reçut le prix Nobel à l'âge de 70 ans, et trois après son élève E. Fischer, pourtant plus jeune que lui de dix-huit ans.
Sa personnalité d'homme et de "grand patron" reste très attachante : excellent directeur de recherches, il avait des qualités de jugement peu communes et savait parfaitement repérer les étudiants doués pour devenir chercheurs. D'une puissance de travail exceptionnelle, c'était aussi un homme simple, modeste, qui refusait de paraître en public et répugnait à assister aux mondanités scientifiques. Moins théoricien qu'expérimentateur, il se présentait comme un réaliste qui orientait ses travaux en fonction des applications possibles, mais il ne recueillit, quant à lui, aucun fruit des réussites industrielles dont il fut l'initiateur. Cette phrase relevée de ses écrits caractérise bien sa personnalité : "Je n'ai jamais effectué mes recherches pour voir si j'avais raison, mais au contraire pour voir quel était le comportement des corps. Mon indifférence devant les théories est venue de cette attitude (...) Je ne suis jamais resté volontairement sur un point de vue déterminé lorsqu'il ne correspondait plus aux faits (...)" Cette "indifférence devant les théories" était en fait toute relative, et il faut plutôt y voir le signe de sa grande modestie.
Pour faciliter la présentation de l'oeuvre colossale de Baeyer, nous tenterons de regrouper ses divers travaux en trois grandes catégories.
La première concerne ses recherches sur l'indigo . A partir de 1865, Baeyer étudie ce colorant naturel, et plus spécialement sa conversion en leuco-indigo, sa filiation avec l'isatine, l'oxindole et l'indole. Le premier résultat remarquable est la synthèse partielle de l'indigo à partir de l'isatine en l'année 1870, suivie de la synthèse totale, réussie en 1876 (l'isatine est préparée à partir de l'acide phénylacétique). Puis il décrit trois autres procédés de synthèse de l'indigo, dont l'un, qui partait de l'acide cinnamique, fera l'objet de tentatives d'application industrielles. La voie était tracée, mais c'est le procédé très économique que Heumann mettra au point en 1890, qui sera retenu à partir de 1897 par la B.A.S.F.
La deuxième catégorie porte sur des colorants de synthèse totale, du groupe triphénylméthane. Les travaux de Baeyer dureront une vingtaine d'années et connaîtront un énorme succès : ils conduisent notamment aux fluorescéines, aux phtaléines et aux rhodamines (les travaux sur la fluorescéine ont été réalisés en collaboration avec son élève E. Fischer durant l'année 1873).
Bien que non théoricien, comme il le disait lui-même, Baeyer réfuta, grâce à ses considérations structurales, la "théorie quinonique", qui tentait d'expliquer les virages de ces indicateurs colorés.
Etudiant l'halochromie des sels de triphénylméthyle, c'est-à-dire le virage en présence d'un acide minéral ou d'un sel de l'état incolore à l'état coloré, il attribue ce phénomène aux "valences carbonium", autrement dit à l'existence d'un ion triphénylméthyle, ce qui correspond assez bien aux théories actuelles sur ce problème.
La troisième catégorie de ses travaux touche aux substances aromatiques. Influencé par Kékulé, Baeyer entreprend l'étude structurale du noyau benzénique en montrant la symétrie élevée du cycle hexagonal. Il propose en 1886 un modèle de formule centrique, qui permet d'identifier l'hexahydrobenzène au cyclohexane : il démontre que les dérivés benzéniques partiellement hydrogénés possèdent un caractère éthylénique, et que leur déshydrogénation imprime le caractère benzénique.
De 1893 à 1901, il reprend les études expérimentales sur les composés hydrobenzéniques synthétiques et sur leurs analogues naturels que sont les terpènes cycliques. Précurseur dans le domaine des acyliques, il montre que ces composés ont une structure intermédiaire entre les aliphatiques et les benzéniques.
Il s'intéresse également beaucoup aux petits cycles. Dans ces composés, les angles de valence se trouvent "comprimés" plus ou moins par rapport à celui du carbone tétraédrique, et lorsqu'on cherche à réaliser la fermeture du cycle, se produisent des tensions qui tendent à l'ouvrir de nouveau, ce qui explique leur fragilité. Les tensions sont d'autant plus fortes que la déformation a été plus grande. Baeyer montre qu'il est possible d'évaluer cette déformation en calculant la différence entre les angles de la chaîne "ouverte" primitive et ceux du polygone fermé correspondant. Cette doctrine, en accord avec les faits expérimentaux, fut publiée en 1885 sous le nom de "théorie des tensions". Elle est modifiée en 1926 par le chimiste suisse d'origine tchèque Ruzicka (prix Nobel de Chimie en 1939).
Baeyer a introduit le concept stéréochimique cis et trans pour désigner les isomères géométriques insaturés, dont l'exemple classique est celui des acides maléique (cis) et fumarique (trans) .
Durant les dernières années de son activité, il s'intéresse aux sels d'oxonium qui rappellent, sous certains aspects, les sels d'ammonium. Travaillant sur les pyrones, il montre que ces composés oxygénés peuvent donner des composés d'addition, en particulier avec les acides. Il généralise ces observations, et propose un corps de doctrine.
Expérimentateur avant tout, mais capable de développer des doctrines, Baeyer a apporté une contribution importante au développement de la chimie industrielle des colorants, dont l'Allemagne a été le chef de file incontesté pendant de nombreuses années, grâce à la croissance rapide de grands consortiums comme la B.A.S.F. L'un des dirigeants de ce prestigieux groupe industriel avait un jour fait observer à Baeyer que beaucoup d'argent lui avait "glissé entre les doigts", apportant ainsi, par ce qu'il considérait comme une critique, le témoignage involontaire du désintéressement du savant, mû assurément par des considérations plus élevées que celle du profit.
Il mourut à Stamberg, en Bavière, le 20 août 1917.
Pour ses recherches et l'isolement de l'élément fluor ainsi que pour l'adoption par les organismes scientifiques du four électrique qui porte son nom.
(Paris, 1852 - Paris, 1907)
Moissan est né à Paris le 28 septembre 1852, dans une famille modeste qui, en 1864, vint habiter à Meaux. C'est dans cette ville que ce fils unique fit ses études secondaires, durant lesquelles il montra de bonnes aptitudes pour les matières scientifiques. A dix-huit ans, pour gagner sa vie, il entre comme apprenti chez un horloger. C'est la guerre de 1870 qui va changer son destin. Engagé dans l'armée active, il participe à la défense de Paris; après sa démobilisation, il entre comme stagiaire dans'une pharmacie de la rue Saint-Martin, où il prend goût aux manipulations chimiques. Bien qu'il ne possède aucun grade universitaire (pas même le baccalauréat), il a la chance d'être admis au laboratoire du Muséum d'Histoire Naturelle dirigé par Edmond Frémy, puis à celui de Chimie Végétale, dirigé par Dehérain. Sa première communication paraît en 1874 dans les Comptes rendus de l'Académie des Sciences : elle traite de "L'absorption de l'oxygène et de l'émission d'acide carbonique par les plantes maintenues dans l'obscurité". Il s'interroge à cette époque pour savoir vers quelle branche de la chimie se diriger : vers la biochimie ou la chimie organique, toutes deux en pleine période de gloire? Il choisit finalement la chimie minérale, pensant qu'il y a encore des éléments nouveaux à découvrir, et met au point dans ce but de nouvelles méthodes d'investigation. Il demande à Debray un sujet de thèse et se met à étudier les oxydes de la famille du fer. Il est nommé Maître de Conférences à l'Ecole Supérieure de Pharmacie de Paris avant d'avoir soutenu sa thèse; puis, Docteur ès Sciences en juillet 1880, il passe l'agrégation en 1882. Il épouse la même année Léonie Lugan, fille d'un pharmacien de Meaux, qui l'avait aidé à poursuivre ses études.
A trente ans, plein d'ambition, Moissan cherche à faire une découverte qui le distinguerait dans le monde des chimistes. On savait à l'époque que des éléments prévus manquaient encore dans le tableau de Mendéléiev, et qu'en particulier le premier élément de la famille des halogènes était inconnu. Beaucoup de chimistes, et non des moindres (Davy, Knox, Gore en Angleterre, et Frémy en France), avaient essuyé des échecs dans ce domaine. Après trois années de recherches, le 26 juin 1886, Moissan réussit à préparer pour la première fois le fluor, en électrolysant une solution de fluorure de potassium dans le fluorure d'hydrogène anhydre, à l'aide d'électrodes en platine iridié soumises à une différence de potentiel de 50 volts. Il travaillait à basse température (vers -25'C) pour éviter l'évaporation du gaz fluorhydrique qui bout, on le sait, à 19'5 C, obtenant ainsi du fluor au pôle positif et de l'hydrogène au p6le négatif; l'utilisation d'une membrane évitait la recombinaison des deux gaz.
Aujourd'hui, on prépare le fluor par une méthode similaire en électrolysant des sels fondus KH3F4 ou KH3F4 les électrodes étant généralement en carbone. Cette découverte eut un immense retentissement, et Moissan devint célèbre même auprès du grand public.
Après l'étude des propriétés du fluor et la préparation de quelques fluorures , il s'attaqua à un nouveau problème encore plus difficile : la synthèse du diamant.
Or, bien qu'il eût entrepris cette recherche suivant une méthode irréprochable, il n'eut pas le même succès qu'avec le fluor. En revanche, la mise au point d'un four électrique capable d'atteindre de hautes températures - inaugurant ainsi la thermochimie des solides - vint conforter sa gloire légèrement amoindrie par la longueur des travaux vainement consacrés à la production artificielle du diamant. C'est finalement cette double réussite, la préparation du fluor et la mise au point du four électrique, qui valurent à la France, par son intermédiaire, un premier prix Nobel de Chimie.
L'idée de reproduire artificiellement le diamant était venue à Moissan du jour où il avait appris qu'une météorite tombée en Arizona, et constituée essentiellement de fer et de 5 à 8% de nickel, renfermait de petits diamants dont le plus gros mesurait moins de 1mm de diamètre. Moissan songea alors à mesurer la solubilité du carbone dans le fer et dans ses alliages, opération pour laquelle il lui aurait fallu disposer d'un four atteignant de hautes températures, et qui n'existait pas à l'époque. Il en construisit donc un en chaux vive, matière réputée infusible, à l'intérieur duquel il fit jaillir un arc électrique entre des électrodes en carbone. Mais le premier four, présenté en 1892 à l'Académie des Sciences, bien que de petite taille, consommait 40 ampères environ sous 55 volts : une ruine pour un budjet de laboratoire à l'époque! Toutefois des modèles plus importants furent construits pour des industriels, et la Compagnie Parisienne de Distribution de l'Electricité soutint l'effort financier de la mise au point. Dès lors Moissan et son équipe purent à nouveau s'attaquer au problème de la fabrication du diamant. Après des années d'efforts, ils obtinrent environ 50mg de cristaux transparents, parfois colorés en jaune ou en noir, qui brûlaient dans l'oxygène sans laisser de cendres solides. Mais les résultats étaient difficilement reproductibles, et il arrivait que la fonte portée à 3000'C, puis trempée, ne contînt aucun diamant. Les expériences s'étendirent sur une quinzaine d'années et furent l'objet de critiques, si bien que, lassés, certains collaborateurs de Moissan finirent par le quitter.
Pourtant ses travaux furent confirmés ensuite par l'Allemand Otto Ruff; mais il ne parvint pas non plus à de meilleurs rendements ni à expliquer l'irrégularité des résultats. Et ce n'est qu'en 1955 que la General Electric C' réussit à obtenir des diamants de 0,1 carat environ, en quantité illimitée, mais coûtant le double des pierres naturelles, et en opérant à 2300'K sous 100 000 atmosphères! En règle générale, les diamants artificiels sont petits et souvent colorés; mais il est possible d'obtenir des cristaux plus clairs en opérant à des températures plus élevées. Les variétés les plus translucides sont utilisées en joaillerie, les plus sombres ou les noires sont réservées à l'industrie.
La mise au point du four électrique qui, comme nous l'avons vu, fit en partie la réputation de Moissan, a donné lieu à d'importantes applications industrielles. Ce type de four a en effet servi par la suite à préparer des métaux et des alliages (le chrome, les ferrochromes, le vanadium, le molybdène, le tungstène, le manganèse, le titane, l'uranium, etc.). L'électrothermie industrielle a aussi contribué à l'essor économique de certaines de nos régions montagneuses, comme les Alpes, les Pyrénées ou le Massif Central.
C'est encore des expériences effectuées par l'équipe de Moissan qu'a découlé l'industrie de l'acétylène : en 1893 Paul Lebeau remarqua que se formait du carbure de calcium lorsque de la chaux fondue au-dessus de 2500'C était mise en présence du carbone solide (coke, graphite, anthracite). Il lui a ensuite été facile de montrer que l'action de l'eau sur le carbure de calcium faisait se dégager de l'acétylène. Celui-ci deviendra l'une des principales matières premières de l'industrie organique, offrant à la chimie la possibilité de préparer de nouveaux produits, allant des engrais (cyanamide calcique) aux textiles synthétiques (orlon), en passant par les matières premières des élastomères.
On peut le constater, les critiques formulées à l'égard des travaux de Moissan (longs, coûteux et inutiles) étaient tout à fait injustifiées, comme le sont aujourd'hui celles que l'on fait trup hâtivement à la recherche fondamentale.
Outre ces axes principaux de recherche, Moissan et ses élèves ont été amenés à s'intéresser à d'autres problèmes importants.
Moissan prépara du bore amorphe et pur, ce qui lui permit d'étudier puis de fabriquer les borures d'hydrogène, tandis que l'un de ses élèves, Binet, obtenait de son c6té toute une série de borures métalliques.
Alors que le calcium, découvert par Berzelius en 1808, puis préparé par Davy, était en fait un amalgame (obtenu par électrolyse d'un mélange de chaux et de mercure), Moissan, en 1892, isola le métal pur en réduisant l'iodure de calcium par le sodium. Il prépara le nitrure et l'hydrure de calcium, étendant sa méthode à la réalisation d'hydrures alcalins qui permettaient de produire des hydrosulfites et des formiates.
Son étude sur la corrosion de l'aluminium a largement contribué à développer les nombreuses applications de ce métal. En 1894 il détermina les propriétés et la masse atomique du molybdène fondu au four électrique : la même année, Schneider, au Creusot, prit ce métal comme élément d'alliage dans les aciers utilisés pour le blindage. Au début du XXe siècle, Moissan proposa le vanadium pour servir d'élément d'alliage dans les aciers et les fontes; ces alliages au molybdène ou au vanadium jouèrent un grand rô1e durant la Première Guerre mondiale, et leur utilisation s'est développée aujourd'hui et a acquis une importance considérable, toujours dans la fabrication du matériel d'armement.
Ajoutons pour terminer que Moissan n'a pas eu le temps d'assister au développement de la chimie du fluor, qui est encore relativement récent puisqu'il n'a commencé que durant la Deuxième Guerre mondiale. On a utilisé le fluor en Allemagne pour préparer des fluorures de chlore aux propriétés incendiaires, et aux Etats-Unis pour la synthèse de l'hexafluorure d'uranium, destiné à la séparation isotopique de l'uranium 235 et 238.
Le fluor est actuellement aussi utilisé en thérapeutique dentaire pour la prévention des caries, bien qu'il soit par lui-même extrêmement toxique (2 ppm dans l'air provoquent de graves troubles respiratoires). Les fréons assurent le fonctionnement des machines frigorifiques et servent comme gaz propulseur dans la fabrication d'aérosols . Enfin les polymères fluorés, dont le plus connu porte le nom de téflon, sont extrêmement appréciés dans l'industrie grâce à leur remarquable résistance à la corrosion.
Beaucoup de ses découvertes et de leurs applications pouvaient perpétuer le nom de Moissan, qui mourut à Paris le 20 février 1907 des suites d'une opération de l'appendicite.
Pour ses recherches en biochimie et la découverte de la fermentation en l'absence d'organisme vivant.
(Munich, 1860 - Focsani, 1917)
C'est avec Büchner que la biochimie,
encore naissante, a son premier lauréat du prix Nobel.
Né le 20 mai 1860, il commence ses études de chimie à la Technische Hochschule de Munich, sa ville natale. Mais il doit les interrompre pour des raisons financières, ne les reprenant qu'à vingt-quatre ans grâce à l'aide de son frère aîné Hans, biologiste et bactériologiste allemand (1850-1902) connu dans le monde scientifique pour sa théorie humorale de l'immunité. Eduard entre au laboratoire de Baeyer, et son frère lui conseille d'entreprendre l'étude des fermentations. Eduard suit ses conseils et publie son premier article en 1885 sur "L'influence de l'oxygène dans le processus de fermentation". Il soutient sa thèse en 1888 et continue sa carrière chez Baeyer durant cinq ans en qualité d'assistant. Cependant ses travaux n'éveillent guère l'intérêt de ses collègues, qui lui conseillent même de les abandonner, car ils partagent l'opinion généralement répandue en cette fin du XIXe siècle, que tout a été découvert dans l'étude des fermentations.
Il est vrai que, depuis une cinquantaine d'années, des résultats nombreux et fort intéressants avaient été obtenus dans ce domaine. Au début du siècle, on était convaincu que la présence de levures, indispensables au processus de fermentation, revêtait un caractère de facteur physique ne jouant aucun rôle chimique. Vers 1837-1838, Cagniard de La Tour, puis T. Schwann et F. Kutzing, ayant publié séparément les résultats de leurs observations, avaient tous conclu que la levure vivante se reproduisait par bourgeonnement. Schwann avait alors appelé "champignon" ce micro-organisme, et considérait la fermentation comme "la décomposition du sucre par le champignon, décomposition qui procure d celui-ci la matière nécessaire d sa croissance et d sa nutrition".
Les "autorités" de l'époque, Berzélius et Liebig en particulier, s'étaient insurgés contre cette conception "vitaliste". Selon eux, les levures agissaient bien en qualité de micro-organisme, mais comme de simples catalyseurs de surface ou comme transmetteur de "vibrations moléculaires". Or en 1857, Pasteur contribua à ces découvertes de façon décisive, en montrant qu'une fermentation peut se dérouler en l'absence d'oxygène : les levures qui en sont la cause demeurent saines et continuent de vivre en se multipliant en anaérobiose.
Büchner, restant sourd aux recommandations de ses collègues, décide de poursuivre dans cctte voie et de continuer à travailler sur le broyat de levures. Il quitte le laboratoire de Baeyer en 1893 pour aller enseigner la chimie analytique et pharmaceutique à Tübingen, et poursuit ses travaux durant ses loisirs et ses vacances universitaires. Selon les conseils de son frère Hans, il prépare par broyage et pression un suc de levures totalement dépourvu de cellules. Il décrit ainsi cette préparation : "Lorsqu'on mélange des levures avec une égale quantité de sable en quartz ajouté d'un cinquième en poids de terre de Kieselguhr, et que l'on broie le tout dans un mortier, on obtient une pâte plastique gris-noir. Enveloppée dans un tissu et soumise d l'action d'une presse hydraulique, elle donne un jus lorsqu'on augmente progressivement la pression jusqu'à 90 kglcm2. En quelques heures on obtient 500 crn~ de suc à partir d'1 kg de levures. L'activité du suc est due d la présence d'enzymes. Leur réactivité décroît rapidement à température ambiante ou par addition d'enzymes de la digestion telles que la pancréatine ou la trypsine ".
Ses recherches l'amènent à faire, en 1896, une découverte fondamentale. Utilisant une solution sucrée concentrée comme agent conservateur d'un suc de levure, il remarque qu'un processus de fermentation démarre lentement. Il peut ainsi établir que, bien qu'il n'y ait plus de cellules de levure, puisqu'elles ont été détruites par un traitement alcoolique et acétonique, la fermentation du sucre se poursuit. En janvier 1897, il peut annoncer pour la première fois qu'un suc de levure totalement dépourvu de cellules reste capable de transformer le glucose en éthanol et en CO2. Bien entendu, on s'oppose fortement à sa thèse, soutenue à Berlin où il est en 1898 nommé professeur à l'Ecole d'Agriculture. D'autres sont attirés par ses travaux et en 1905, deux ans avant que Büchner n'obtienne le prix Nobel de Chimie, Harden et Young parviennent à fractionner le suc de levure qu'il avait obtenu et nommé zymase, en une partie thermostable (cozymase) et une partie thermolabile (apozymase).
Ces travaux extrêmement importants ont contribué au développement de la biochimie et de l'enzymologie modemes d'un double point de vue théorique et pratique. Ils ont supprimé la distinction admise jusque là entre ferments organisés (êtres vivants) et ferments inorganisés (extraits). Les prolongements de ces recherches ont abouti à la mise en évidence fondamentale de la dégradation des glucides.
Ainsi les agents de la fermentation alcoolique sont :
Les substrats de la fermentation sont des sucres fermentescibles (saccharose, fructose, glucose, mannose). Les sucres ne subissent pas la fermentation lorsque la membrane des cellules leur est imperméable, autrement dit quand ils ne possèdent pas de perméases correspondantes, ou que les cellules sont dépourvues de systèmes enzymatiques capables de les métaboliser. On sait aujourd'hui que la fermentation est accélérée par l'addition d'ions phosphate et magnésium.
La carrière scientifique d'Eduard Büchner fut brutalement interrompue par la Première Guerre mondiale. Il mourut en 1917, à Focsani en Roumanie, alors qu'il servait comme major dans l'armée allemande.
Pour ses recherches sur la désintégration des éléments et la chimie des substances radioactives.
(Nelson, 1871 - Cambridge, 1937)
Rutherford
est né le 30 août 1871, de parents anglais établis à Nelson
en Nouvelle Zélande. Après d'excellentes études secondaires,
il obtient une bourse pour entrer à l'Université de Nouvelle
Zélande, qui comptait à l'époque sept professeurs et environ
cent cinquante étudiants. En 1894, pour son diplôme de bachelor
of science, il présente un mémoire qui porte sur "la
magnétisation du fer par décharges de hautes fréquences",
et invente un détecteur d'ondes de radio.
Bénéficiant de la réforme du règlement qui autorise les étudiants dip16més d'autres universités à être admis au laboratoire de Cavendish à Cambridge, il part en 1895 en Angleterre et s'initie à la recherche sous la direction du grand maître J. J. Thomson (prix Nobel de Physique en 1906). Il analyse en même temps que Becquerel, durant l'année 1898, le rayonnement des corps radioactifs, en étudiant la radiation émise par le thorium. Cette année 1898, sur recommandation de son maître, il est recruté par le directeur de l'Université canadienne MacGill, qui prospectait l'Europe à la recherche de jeunes talents. Attirés par les qualités d'expérimentateur et d'animateur de Rutherford, des chercheurs pleins d'avenir, comme H. L. Cooke, le polonais Godlewski, l'allemand Hahn (futur prix Nobel de Chimie en 1945 pour ses travaux sur la fission de l'uranium), composent autour de lui une jeune et brillante équipe. Mais c'est surtout avec son ami Frederick Soddy qu'il coopère étroitement, ayant décidé de continuer les travaux entrepris à Cambridge sur la radioactivité du thorium.
A partir de la thorianite, ils avaient extrait trois éléments : le thorium 232, le radiothorium 228 et le thorium X224. Le problème qui les préoccupait était de savoir le lien qui pouvait exister entre ces trois corps. La réponse est donnée en 1900 : le deuxième et le troisième éléments sont issus du premier; ainsi donc le thorium "ordinaire" se transforme spontanément et progressivement en radiothorium, qui lui-même donne le thorium X, celui-ci se transformant à son tour en un gaz plus léger, le thorium 220; peut-être la chaîne se prolonge-t-elle au-delà ?
Ayant pu se procurer 60 mg de radium, nos deux chercheurs voulurent savoir si cet élément subissait la même modification. Ils furent bient6t en mesure de déclarer avec certitude que le Ra 226 conduit à plusieurs espèces de radium, puis au radon gazeux, en dégageant tant6t des rayons u, tant6t des rayons 8. Quelle ne fut pas la stupéfaction de la vieille génération des chimistes et des physiciens à l'annonce de ces résultats! Depuis un siècle la chimie physique reposait sur les dogmes bien établis de la conservation de la matière pr6née par Lavoisier, et du d6terminisme de Laplace . Comme on peut s'en douter, les savants, bercés par le positivisme du XIXe siècle, ne voulurent à aucun prix se défaire des doctrines traditionnelles.
Néanmoins Soddy et Rutherford proposèrent en 1903 la loi des transformations radioactives : le radium, comme tous les corps, est formé d'atomes. Mais ces atomes ne sont pas aussi stables que ceux du fer, de l'oxygène, etc., et de temps en temps l'un d'eux se brise accidentellement, projetant des rayonnements a et p, dégageant aussi de l'énergie sous forme de rayonnement électromagnétique l. Il reste après réaction un nouvel atome moins lourd. Les deux chercheurs fournirent la preuve de ce qu'ils avançaient en vérifiant qu'à chaque seconde, dans 1 mg de radium, 37 millions d'atomes subissent leur désintégration en émettant des rayons y et des corpuscules e, lesquels forment du radon qui, à son tour, se désintègre. Rutherford décrivit l'arbre généalogique du radium initial, qu'il nomma A, et qui engendre, en passant par le polonium, les radiums B à E ; il passa sous silence le radium D, dont il soupçonnait cependant l'existence sans arriver à l'isoler. L'avenir montra que le radium D est difficile à détecter car il a un demi-temps de désintégration de 22 ans. La publication de Rutherford et de Soddy fit sensation. La nature du rayonnement l et p fut rapidement déterminée, mais les particules a posèrent un problème auquel s'attaque Rutherford.
Tout en s'inspirant des travaux de Becquerel et des Curie, et en utilisant les techniques de Thomson et de Perrin appliquées à l'étude de l'électron, il découvrit que la charge positive de ces particules était le double de ceHe de l'électron, avec une masse quadruple de celle de l'atome d'hydrogène, et que leur vitesse avoisinait les 10e4 km sec-1. Il conclut qu'il s'agissait d'atomes d'hélium (plus exactement de noyaux d'atomes d'hélium), ce qui paraissait tout à fait surprenant à l'époque. Pour en faire la preuve, il lui restait à recueillir ce rayonnement corpusculaire dans une éprouvette, et à analyser son contenu.
Aidé de son élève Royds, Rutherford entreprit cette nouvelle recherche durant l'année 1908. L'analyse spectrale confirma qu'il s'agissait d'hélium. Ces travaux lui valurent donc le prix Nobel de Chimie, comme ils auraient pu aussi bien lui valoir celui de Physique : c'est d'ailleurs une chaire de Physique qu'il occupe à partir de 1907 à l'Université de Manchester.
Rutherford commence alors par constituer une nouvelle équipe qui comporte en 1911 plus d'une vingtaine de chercheurs : Chadwick (futur prix Nobel de Physique en 1935), Hevesy, Geiger, Boltwood, Fajans, Evans, Gray, Darwin, etc. Après avoir réalisé des découvertes fondamentales en physique, il cherche avec son équipe les conséquences que l'on peut en tirer en abordant l'étude de la structure des atomes. Jusqu'alors la physique de l'atome reposait sur la théorie de Lorentz-Thomson : on considérait l'atome comme un assemblage de charges positives dont la distribution spatiale la plus simple, à l'intérieur d'une sphère de rayon atomique, était de l'ordre de l'angstrom. Selon cette théorie, dans un atome neutre, les électrons étaient enfermés dans cette sphère où ils étaient animés d'un mouvement vibratoire, leur charge totale étant égale à la charge positive de la sphère. C'est pour établir la distribution des charges positives dans l'atome que Rutherford et ses collaborateurs effectuèrent une sdrie d'importantes expériences, qui consistaient à bombarder de minces lames métalliques par des particules e. La distribution angulaire des particules déviées fit apparaître que les charges positives des atomes de la cible n'étaient pas présentes dans tout le volume atomique. Les mesures s'accordèrent à localiser ces charges dans un espace 10' fois inférieur à celui de l'atome entier, cet espace constituant le noyau atomique autour duquel se déplacent les électrons soumis à l'action des forces électromagnétiques.
Le modèle de Rutherford identifiait donc la structure de l'atome à un système planétaire, où le noyau jouerait le r61e du soleil, et les électrons celui de planètes qui, en toumant, irradieraient de l'énergie lumineuse. Pour le confronter avec l'expérience, on soumit de l'hydrogène sous faible pression à des décharges électriques : le gaz devenait luminescent et l'analyse spectroscopique permit d'observer quatre raies fixes. C'étaient donc bien des atomes d'hydrogène qui produisaient cette lumière. Mais alors pourquoi n'émettaient-ils que certaines couleurs, et non pas toutes? Et pourquoi, si c'étaient les électrons qui irradiaient cette énergie, ne finissaient-ils pas par l'épuiser et tomber alors, attirés par le noyau? Rutherford ne put répondre à ces questions, et ce fut un jeune chercheur danois, Niels Bohr (futur prix Nobel de Physique en 1922), qui, s'appuyant sur la théorie des quanta élaborée par Planck en 1901, perfectionna la représentation planétaire de l'atome de Rutherford. Le mémoire de Bohr parut en 1913, et permit à la physique atomique modeme d'accomplir des progrès extrêmement importants. La Première Guerre mondiale obligea ce jeune savant à interrompre des travaux qu'il reprit ensuite de la façon fructueuse que l'on sait.
Cette même période fait de Rutherford le rapporteur d'une commision scientifique chargée de mettre au point un détecteur de sous-marins; c'est pour lui l'occasion d'exploiter les applications du détecteur d'ondes de radio qu'il avait mis au point dès le début de ses études, en 1894.
La guerre achevée, en 1919, alors qu'il est au sommet de sa gloire, il est nommé directeur du laboratoire Cavendish en remplacement de Sir J. J. Thomson parti en retraite. Il prend ses nouvelles fonctions à l'âge de 48 ans, débordant d'idées et de projets. Après les découvertes qui avaient créé la physique atomique, il va fonder la chimie nucléaire en publiant un mémoire sur "Une Réaction anormale dans l'azote". En bombardant de l'azote enfermé dans un cylindre avec des particules n provenant du radium, il a constaté qu'après l'arrêt de l'envoi des noyaux d'hélium, le tube continuait à produire des scintillations sur un écran, alors que celles-ci auraient dû cesser. En faisant dévier ces scintillations à l'aide d'un champ magnétique et électrique, Rutherford s'est aperçu qu'il s'agissait de noyaux d'hydrogène. De là l'interprétation, téméraire sans doute, mais géniale, qu'il donne de cette expérience : "puisque le noyau d'azote possède sept charges d'électricité positive et qu'il absorbe un corpuscule d'hélium possédant deux charges, il en perd une avec l'hydrogène; il lui en reste donc huit. Le noyau d sept charges s'est transmué en un noyau à huit charges" Autrement dit, l'azote s'est transmué en oxygène selon la réaction :
N+He=O+H
La première transmutation d'un corps stable vient d'êtm découverte. Avec son élève Chadwick, Rutherford continue ses expériences en bombardant des noyaux de bore, de fluor, de sodium, d'aluminium, de phosphore; il obtient le même succès. Puisque des noyaux d'hydrogène sont expulsés de ceux de l'azote, du bore, du fluor, etc., c'est que le noyau d'hydrogène doit être une unité de matière; aussi le nomme-t-il proton.
Ainsi la chimie nucléaire apportait de nouvelles informations sur la constitution inteme du noyau. Pour les physiciens de l'époque, toutes les substances étaient constituées de protons et d'électrons : ces deux particules possèdent la même charge électrique, positive pour le proton et négative pour l'électron, mais des masses différentes, le proton étant 1840 fois plus lourd que l'électron. Cette représentation de l'atome subsistera jusqu'en 1932 : elle sera alors profondément modifiée et perfectionnée avec l'avancée remarquable des modèles mathématiques .
On sait aujourd'hui quels bouleversements a connus notre monde grâce au travail de ces savants pionniers, parmi lesquels Rutherford fait figure de géant. Il s'éteignit en Angleterre, à Cambridge, le 19 octobre 1937, n'ayant pas eu le temps de connaître l'application néfaste des découvertes auxquelles il avait contribué : l'expérimentation, le 16 juillet 1945, à Alamogordo (Nouveau Mexique) de la première bombe atomique, suivie trois semaines plus tard par l'anéantissement de la ville d'Hiroshima.
Pour ses travaux en catalyse et ses investigations sur les principes fondamentaux qui gouvernent l'équilibre chimique et les vitesses de réaction.
(Riga, 1853 - Grossbothen, 1932)
Né à Riga en Lettonie (aujourd'hui
l'une des républiques socialistes baltes de l'U.R.S.S.) le 2
septembre 1853, Ostwald était, au début du XXe siècle,
considéré comme le fondateur de la chimie physique. Il n'a pas
été seulement un pionnier dans cette branche grâce à ses
travaux et à ceux de ses élèves ; il a joué aussi un rôle
important par ses articles, ses livres, les périodiques et les
organismes qu'il a créés pour le développement de la chimie
physique. C'est en outre pour une bonne part grâce à lui que
furent reconnus les travaux d'Arrhenius, alors qu'ils étaient
mis en doute par de très éminents chimistes.
L'oeuvre scientifique d'Ostwald peut être séparée en deux grands domaines : celui de l'électrochimie et celui de la cinétique chimique, plus particulièrement de la catalyse. Il s'intéressa tout d'abord aux solutions aqueuses, et sa thèse de doctorat, soutenue à Dorpat (aujourd'hui Tartu, dans la république d'Estonie en U.R.S.S.) en 1875, portait sur "l'action de masse de l'eau". Son principal sujet d'intérêt en électrochimie fut la détermination des affinités chimiques des acides, dont il publia en 1878 un tableau de valeurs relatives. Ses travaux attirèrent sur lui l'attention de la communauté des chimistes, et le Polytechnicum de Riga lui proposa en 1881 la chaire de chimie. C'est dans cet établissement, entre 1882 et 1887, qu'il fit ses principales recherches, entouré de nombreux élèves, construisant lui-même son appareillage, dont un thermostat qui porte son nom. L'axe principal de ses travaux était l'action des acides sur la vitesse des réactions, et plus particulièrement sur les réactions d'hydrolyse. Les résultats de toutes ces recherches ont été rassemblés dans un ouvrage intitulé Etudes de Dynamique Chimique. En 1884, Ostwald prit connaissance des travaux d'Arrhenius sur la conductivité des électrolytes et leur dissociation ionique. Cela lui permit d'établir le lien qu'il cherchait, à savoir que l'affinité des acides était proportionnelle à leur conductivité électrique. Il rendit visite à Arrhenius à Uppsala, puis ce demier vint à Riga; une collaboration se mit en place, et une sincère amitié se forma entre ces deux grands de la chimie physique. Ostwald a montré que la conductivité des acides forts varie peu avec la dilution, contrairement à ce que l'on observe pour les acides faibles. Etudiant plus d'une centaine d'acides et de nombreuses bases, il établit des relations entre l'affinité et la structure moléculaire; n'oublions pas que la chimie structurale était très à la mode chez les organiciens de l'époque.
En 1887, il fonda la première revue de chimie physique, Zeitschrift für Physikalische Chemie, qui paraît toujours. Van't Hoff fut son coediteur, et la liste des collaborateurs comporte les plus grands noms de la chimie. Le premier tome est tout à fait remarquable; il comprend les célèbres travaux de Van't Hoff sur la pression osmotique, ceux d'Arrhenius sur la dissociation des sels en solution aqueuse, sans oublier les résultats d'Ostwald lui-même concemant l'influence de la force des acides sur les vitesses de diverses réactions.
Cette revue connut un énorme succès : alors que ses fondateurs ne prévoyaient la sortie que d'un volume annuel, on passa à deux en 1889, puis à trois en 1894.
Entre temps, Ostwald s'était installé à Leipzig, où il avait été nommé en 1887 professeur de chimie physique. Il y resta jusqu'à la fin de son activité universitaire, en 1906. C'est là qu'il recruta des collaborateurs de qualité (l'un de ses assistants s'appelait W. Nemst, futur prix Nobel de chimie en 1920), et créa sa célèbre Ecole de Chimie Physique, qui devait recevoir des stagiaires du monde entier (la France y envoya un jeune chercheur talentueux, Jean Perrin, futur prix Nobel de Physique en 1926).
Sur la base des travaux de Van't Hoff et d'Arrhenius, toute l'équipe appliqua d'une façon systématique les lois thermodynamiques à l'étude des réactions équilibrées en solution. On obtint de nombreux résultats, mais nous ne rappellerons que les plus significatifs :
L'essentiel de ses travaux s'étale sur une décennie, entre 1887 et 1897. Excellent vulgarisateur et pédagogue, il rédigea en outre le remarquable Schule der Chemie, dans lequel lcs notions fondamentales de la chimie sont présentées aux débutants sous la forme originale d'un dialogue très vivant.
Tout en continuant l'étude des équilibres chimiques, Ostwald entreprend à cette époque de nouveaux travaux sur l'influence des catalyseurs en cinétique chimique. Si la notion de catalyse était connue depuis Berzelius (1836), elle était loin d'être claire, et on désignait de ce nom toutcs sortes de phénomènes. En 1894, Ostwald en donne pour la première fois une définition simple et précise : "la catalyse est l'accélération d'une réaction 1ente, due d la présence d'un corps étranger, le catalyseur". Dans les réactions réversibles, l'état d'équilibre n'étant pas modifié par action catalytique, il en déduit que le catalyseur accélère de la même manière les vitesses des deux réactions inverses. Utilisant les vertus catalytiques des acides et des bases, il est le promoteur de la catalyse acide-base, qui est le propre des réactions homogènes (une phase unique, liquide dans le cas présent). Mais il s'intéresse également à la catalyse hétérogène, pressentant toute l'importance industrielle de ce type de réactions. Il étudie la synthèse et la combustion de l'ammoniac, qui devait permettre la production de l'acide nitrique, et met au point, avec Brauer, un procédé industriel qui sera utilisé à Bochum en 1908. Il s'attache aussi au support de catalyseurs (porcelaine) et teste les propriétés catalytiques de divers oxydes métalliques. Il montre enfin clairement que les enzymes agissent comme des catalyseurs organiques.
En 1894 Ostwald fonde avec A. Wilke la société Elektrochemische Gesellschaft, dont l'organe d'information sera le Zeitschrift für Elektrochemie und Angewandte physikalische Chemie, second périodique consacré à la chimie physique.
Ostwald fut, d'un point de vue théorique, un fervent partisan de "l'énergétisme", l'énergie étant pour lui l'unique constituant de l'univers : c'est pourquoi il préférait le tetme énergétique chimique à celui de thermodynamique chimique.
C'était d'autre part un artiste, grand amateur de musique et de peinture : il se consacra d'ailleurs, à la fin de sa carrière, à l'étude des couleurs. S'étant très t6t retiré à la campagne, en Saxe, dès 1906, il décéda le 4 avril 1932, à Grossbothen, près de Leigzig. Sans avoir à proprement parler ouvert de nouveaux horizons à la science, il fut néanmoins un grand savant, l'un des fondateurs de la chimie physique.
