| Prix Nobel de 1930 à 1934 |
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1930 : Hans Fisher (1881 - 1945) |
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1931 : Carl Bosch (1874 - 1946) et Friedrich Bergius (1884 - 1949) |
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1932 : Irwing Langmuir (1881 - 1957) |
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1933 : Le prix Nobel de chimie n'a pas été attribué |
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1934 : Harold Clayton Urey (1893 - 1981) |
Pour ses travaux sur la constitution de l'hémine et de la chlorophylle et spécialement pour la synthèse de l'hémine.
(Hochst am Main, 1881 - Munich, 1945)
Hans Fischer est né le 27 juillet 1881 à Háchst am Main, près de Francfort, en Allemagne. Après des études secondaires à Stuttgart et à Wiesbaden, il accomplit simultanément un double cursus universitaire en médecine et en chimie, et devient docteur en chimie de l'Université de Marbourg en 1904, puis docteur en médecine de l'Université de Munich en 1908.
Il effectue ses premières recherches, d'abord dans une clinique de Munich, ensuite chez Emil Fischer, à l'Institut de Chimie de Berlin.
En 1911, revenu à Munich, il succède à Wieland à l'Institut physiologique Frank. En 1916, il remplace Windaus à l'Université d'Innsbruck, où il enseigne la chimie médicale. La fin de la Première Guerre mondiale le voit professeur dans cette spécialité à l'Université de Vienne. Enfin, en 1921, il est nommé professeur de chimie organique à l'Ecole Polytechnique de l'Université de Munich, poste dans lequel il demeurera jusqu'à sa mort. C'est là qu'il effectue ses principaux travaux, et qu'il s'occupe de l'édition de revues scientifiques.
Lorsque Fischer entreprend ses travaux systématiques sur le colorant sanguin, la nature des pigments verts des plantes était déjà connue; on savait que le rouge de l'hémine et le vert de la chlorophylle (1) ont une structure voisine, avec un atome de fer au centre de la molécule d'hémine, et un atome de magnésium dans celle de chlorophylle. Dans les deux cas, on peut enlever l'atome métallique central sans altérer le reste de la molécule. Willstatter avait établi (2) que la chlorophylle est une combinaison de magnésium et de noyaux pyrroliques. Par la suite Franz Gottwald Fischer, élève de Wieland, réalisa en 1928 la synthèse du produit de dégradation de la chlorophylle, le phytol (3). Dc la même façon, Hans Fischer montra qu'en privant l'hémine de son atome de fer, on obtient une substance qui apparait lors de la lente putréfaction de l'hémine, et que l'on appelle porphyrine (4).
En revanche, il était beaucoup plus difficile d'identifier et d'établir un lien entre les produits de dégradation issus d'attaques de l'hémine par des réactifs chimiques. La première grande avancée dans ce domaine résulte des travaux de Hans Fischer sur les produits de d6gradation naturelle de la bile. Parmi ceux-ci se trouve un colorant rouge, la bilirubine (5). C'est en l'étudiant qu'en 1912 W. Küster avait reconnu la composition de l'hémine. Sur ces bases, Hans Fischer entreprit la synthèse de la bilirubine et des composés qui lui sont proches, établissant la formule développée de l'hémine. Comme il vérifiait un grand nombre de formules possibles en variant la séquence des noyaux pyrroliques et les divers radicaux portés par ceux-ci, il parvint à établir la formule définitive. Ce sont les substituants vinyliques qui ont suscité les plus grandes difficultés, parce qu'ils étaient facilement hydrogénables et que leur réduction donnait par conséquent un radical éthyle. La porphyrine ainsi altérée fut appelée la mésoporphyrine. C'est en réalisant la synthèse de ce composé à partir de constituants organiques simples que sera confirmée la structure de l'hémine (6).
Deux questions particulièrement intéressantes du point de vue chimique ont mérité des études complémentaires. En premier lieu, il s'agit de la dégradation de l'hémine en constituants plus simples. On peut dans ce cas recourir soit à la méthode de Teichmann, en faisant agir sur le sang un mélange d'acide acétique glacial et de chlorure de sodium; soit à celle de Momer, fondée sur l'action d'une solution alcoolique d'acide sulfurique. Dans le premier cas, on obtient des cristaux de Teichmann à grande échelle (plusieurs kg) dans le second cas, le produit final est l'ester d'hémine.
En second lieu, et grâce à l'étude structurale de l'hémine effectuée par Hans Fischer, la chimie des porphyrines (largement répandues dans la nature) s'est fortement développée.
Après ces travaux, qui peuvent dérouter le néophyte et le laisser perplexe quant à leur intérêt pour l'avancement des méthodes en chimie organique, Hans Fischer s'employa à démontrer la relation existant entre l'hémine et la chlorophylle, en passant de la synthèse de l'hémine à sa transformation en pigment vert des plantes.
La mort l'empêcha de conduire ses recherches à leur terme. Elles eurent cependant de nombreux prolongements, en particulier pour ce qui touche à l'étude des substances naturelles complexes : ainsi sont connus aujourd'hui des composés formés d'hémine et de protéines de la famille des globines (nom générique des groupements protidiques des hémoglobines), constitués de résidus d'environ 136 acides aminés. La connaissance des structures des acides biliaires et de l'hémine joua également un rôle essentiel dans l'étude ultérieure de la vitamine B12.
Hans Fischer décéda à Munich le 31 mars 1945.
1. Chlorophylle : C55H72O5N4Mg (voir formule développée dans un ouvrage de biochimie).
2. Voir la notice le concernant (1915).
3. Phytol : alcool estérifiant C20H39OH (tétraméthy1-3,7,11,15 hexadécène-2 ol-l).
4. La porphyrine est constituée d'un noyau fondamental, la porphine, comprenant quatre noyaux pyrroliques reliés en alpha, beta, gamma et 5 par quatre chaînons-CH=.
5. Bilirubine : composé tétrapyrrolique à chaîne linéaire C33H3~O<N~. Synonymes : bilifulvine = hématoïdine = biliphéine.
6. L'hémine ou haemine, C34H O N Fe+, est obtenue par oxydation du sang en présence de chlorure de sodium. C'est un composé noir bleuâtre.
En reconnaissance de leur contribution dans la découverte et le développement des méthodes chimiques sous haute pression.
(Cologne, 1874 - Heidelberg, 1940)
Cet industriel allemand est né à
Cologne le 27 août 1874. Il commence ses études au Collège Polytechnique de
Charlottenbourg, montrant une nette préférence pour les disciplines scientifiques
(mathématiques, physique, chimie). Après s'être spécialisé en chimie, il rédige, à
l'Université de Leipzig, sous la direction de J. Wislicenus, une thèse de chimie
organique qu'il soutient en 1898. Un an après, il entre à la Badische Anilin und Soda
Fabrik (B.A.S.F.) de Ludwigshafen. Ses connaissances en mécanique et en technologie
industrielle, ainsi que sa formation de chimiste de laboratoire l'amènent à entreprendre
des travaux permettant la fabrication industrielle de certains composés chimiques. Il
s'intéresse aux métaux et aux alliages utilisés en ingénierie, à l'équipement
automatique des contr61es de pression et de températures, aux problèmes de sécurité
dans les ateliers. La direction de la B.A.S.F. le charge, en 1910, de développer sur le
plan industriel la fabrication de l'ammoniac, dont la synthèse à partir de l'hydrogène
et de l'azote atmosphérique sous pression venait d'être mise au point par Fritz Haber
(1) ge procédé portera d'ailleurs le nom de Haber-Bosch). Une première usine de
synthèse directe de l'ammoniac est construite à Oppau. Là, Bosch se distingue par ses
qualités d'organisateur, en revanche, il manque quelque peu de modestie. Un jour, faisant
visiter son usine, il a ce mot : "11 n'y a plus rien de Haber ici," oubliant
simplement l'ammoniac... La puissance de la B.A.S.F., dont Bosch devient le Directeur
Général en 1919, se construit sur la fabrication de l'ammoniac, des engrais azotés et
des colorants synthétiques. En 1926 il est nommé Président du Conseil des Directeurs de
la I.G. Farbenindustrie, l'un des plus puissants consortiums chimiques du monde.
Bosch affirmait que les succès industriels n'étaient possibles que s'ils reposaient sur de solides bases scientifiques. De 1919 à 1930, il publia de nombreux ouvrages sur les problèmes posés par l'industrie chimique. Il y critiquait les méthodes d'enseignement du collège de Charlottenbourg et celles de tous les instituts de technologie en général, où les règles empiriques prévalaient sur les connaissances véritablement scientifiques. Selon lui, le passage de la science à l'application technique repose impérativement sur des recherches systématiques et fondamentales, et non pas sur des spéculations d'ordre général, intellectuel ou philosophique, sans méthode rigoureuse. Il fit par exemple tester par ses collaborateurs environ 20 000 éléments et leurs combinaisons afin de trouver le catalyseur le plus efficace pour la synthèse de l'ammoniac, et fonda dans ce but à Oppau "l'Ammoniac Laboratoire", où travaillaient 180 chercheurs et plus d'un millier de techniciens et d'aides de laboratoire. Par la suite, pour mieux connaftre les engrais et comprendre leur action, il créa une station expérimentale (Versuchsanstalt), à laquelle il adjoignit en 1915 un "biolaboratoire" qui eut pour mission d'étudier le rôle vital de l'azote.
En 1925, alors que l'Allemagne subissait le contrecoup économique de la guerre, Carl Bosch, considérant que des scientifiques possédant de solides connaissances seraient pour son pays un meilleur atout que des spécialistes hâtivement formés, s'intéressa aux étudiants, leur consacra beaucoup de temps et mit des bourses d'études à la disposition des jeunes chercheurs. Pour la même raison, lorsqu'il remplaça Max Planck à la direction de la Kaiser-Wilhelm Gesellschaft, il se dépensa sans compter afin de créer et d'organiser un Institut de Biophysique. C'est un exemple que pourraient suivre de nombreux industriels, à une époque où l'on disserte tant sur l'innovation et la professionnalisation des Universités.
On sait déjà que la synthèse de l'ammoniac à partir de ses éléments est une réaction exothermique; elle sera donc favorisée par abaissement de la température. Pour ne pas réduire la vitesse de réaction, on a vu que Bosch avait cherché un catalyseur capable d'assurer le rendement maximal. Comme la réaction va dans le sens d'une diminution de volume, une pression élevée est nécessaire : dans le processus Haber-Bosch, on opérait sous 250 bars. En collaboration avec des mécaniciens et des métallurgistes, il mit en place dans les ateliers un matériel capable de supporter ces pressions relativement élevées. Il rencontra les plus grandes difficultés avec les compresseurs, car ceux qui existaient sur le marché étaient de trop petite taille pour les installations prévues, qui comportaient 24 unités en batterie et devaient fonctionner jour et nuit pendant des années. Après de nombreux essais, il r6ussit à faire construire des compresseurs de 3000 CV, pouvant fonctionner six mois sans révision : une prouesse pour l'époque! Il paracheva sa chaîne de fabrication sous pression en mettant au point des contr61eurs enregistreurs de pression automatiques, fonctionnant en continu. Ce sont ces travaux qu'a récompensés le prix Nobel de 1931.
Plusieurs Universités allemandes décemèrent à Carl Bosch le grade de Docteur Honoris Causa. Il mourut à Heidelberg le 26 avril 1940.
(Goldschmieden, 1884 - Buenos Aires, 1949)
Friedrich Bergius est né le 11 octobre 1884 à Goldschmieden, près de Breslau en Silésie, où son père possédait une usine de produits chimiques. Il étudie la physique et la chimie auprès des professeurs Abegg et Landenburg à Breslau, puis de Hantzsch à Leipzig, Nemst à Berlin, et Haber à Karlsruhe. C'est à Leipzig qu'il soutient sa thèse en 1907 sur le sujet suivant : "Recherches sur l'acide sulfurique concentré comme solvant". Dans le laboratoire de Haber, il s'initie à la chimie des hautes pressions, thème de recherche qui l'amènera au prix Nobel. Nommé à Hanovre en 1909 comme lecteur en physique, il commence ses travaux en préparant du superoxyde de calcium par action de l'oxygène sous forte pres sion sur la chaux. Il met au point des réacteurs et des valves pour pressions élevées; puis il se préoccupe de fabriquer des produits chimiques par cette tcchnique, non pas tous les produits nouveaux, mais seulement ceux qui semblent avoir un avenir industriel. Il a d'ailleurs été sur ce point un parfait visionnaire. Il publie en 1912 ses travaux sur une méthode de reconstitution en laboratoire de la formation géologique des couches carboniîêres; il s'intéresse aussi à l'obtention industrielle de l'hydrogène par action de la vapeur d'eau sur le charbon. Ainsi lorsqu'il étudie la conversion des huiles lourdes en carburant, c'est à l'hydrogène sous pression qu'il pense d'abord. Le procédé antérieur, fondé sur le craquage thermique, avait l'inconvénient de conduire à des substances extrêmes : le gaz méthane et le coke solide, la fraction intermédiaire d'huiles légères étant extrêmement faible. L'utilisation de l'hydrogène résout ce problème, et en 1913 Bergius peut déposer le premier brevet afin de protéger cette découverte. La déclaration de la guerre le voit entrer aux Etablissements Goldschmidt, à Essen, comme chef de laboratoire. Là, il met au point un procédé de production du fuel à partir du charbon; peu après, il construit une unité de conversion du bois en sucre et modemise la réaction de Willsthtter, en traitant la cellulose par l'acide chlorhydrique concentré.
Ces travaux sont loin d'être terminés à la fin de la guerre. Il les poursuit en laboratoire et en unité-pilote, produisant, à partir du bois, du sucre qui à son tour est transformé en alcool et en dextrose. En 1927, il cède à la I.G. Farben le brevet déposé en 1913, tout en contituant ses recherches afin d'améliorer son procédé d'hydrogénation. Il teste de nombreux catalyseurs en vue de la synthèse de carburants pour le craquage du pétrole sous pression et pour la synthèse de l'alcool méthylique à partir du gaz à l'eau.
Les résultats de ses recherches ouvrent la voie à la fabrication de nombreux produits synthétiques, et ont eu des applications considérables, surtout pendant la Seconde Guerre Mondiale. La carbochimie, qui connaissait un grand essor depuis 1865 (travaux de Kékulé), atteint son apogée avec Bergius. Pendant la Seconde Guerre mondiale, son procédé d'hydrogénation de la houille pour préparer l'essence (4 à 5 tonnes de houille produisant une tonne de carburant) foumit aux armées allemandes une grande part du combustible dont elles avaient besoin en attendant de s'emparer des champs pétrolifères du Moyen Orient. En 1944, la moitié du carburant allemand (environ 6 000 000 de tonnes) était obtenue par voie synthétique grâce à douze usines qui travaillaient selon le procédé de Bergius, et huit selon celui de Fischer (2).
Bergius inventa également les méthodes de préparation de l'éthylène-glycol (antigel) en utilisant l'éthylène et le phénol à partir du chlorobenzène, sans pour autant en assurer la production industrielle.
Tout en continuant à suivre les progrès de la chimie et de ses applications, il s'attachait de plus aux problèmes financiers posés par le développement de l'industrie chimique allemande; il dut s'en faire l'avocat infatigable et combattre l'aveuglement et l'égoïsme de certains milieux économiques et politiques.
Il reçut le titre de Docteur Honoris Causa de l'Université de Heidelberg en 1927, puis le prix Nobel en 1931. A la fin de la Seconde Guerre mondiale, il partit en Autriche, et fut bient6t invité à aller s'installer en Espagne. Après un bref séjour dans ce pays, il gagna l'Argentine, et mourut à Buenos Aires le 30 mars 1949.
l. Voir la notice qui lui est consacrée (prix Nobel de chimie 1918).
2. L'hydrogénation du charbon a été abandonnée en Europe vers 1945, car les prix de revient étaient devenus plus élevés que ceux de l'essence issue du pétrole. Les installations furent transformées pour le traitement des produits liquides pétroliers, en attendant la construction des nouvelles raffineries qui ouvrirent l'ère de la pétroléochimie. L'hydrogénation de la houille s'inscrit cependant aujourd'hui dans de nouvelles perspectives de la carbochimie. L'hydrogénation catalytique sous hautes pressions, appliquée à la synthèse de l'ammoniac (donc de l'acide nitrique utilisé dans la fabrication des explosifs) et à celle des essences synthétiques, aura donc permis à l'Allemagne de préparer les deux grandes Guerres mondiales.
Pour ses découvertes et travaux effectués dans le domaine de la chimie des surfaces.
(Brooklyn, 1881 - Falmouth, 1957)
Irving Langmuir est né à Brooklyn
(Etat de New York) le 31 janvier 1881, dans une fmille qui compte parmi ses ascendants
l'un de ces fondateurs du Nouveau Monde que furent les passagers du Mayflower. Après
des études secondaires faites à Paris (1), Philadelphie et Brooklyn, il entre à la
School of Mines de l'Université de Columbia où il Obtient un diplôme d'ingénieur
métallurgiste en 1903. Comme beaucoup de jeunes scientifiques américains de l'époque,
attiré par la réputation des Universités européennes, et particulièrement des
Universités allemandes, il vient pendant plusieurs années travailler dms le laboratoire
de Nemst à GOttingen. De retour aux Etats-Unis, après un passage dans l'enseignement
supérieur, il entre en 1909 au Laboratoire de Recherches de la General Electric Company,
à Schenectady. Là, des moyens exceptionnels pour l'époque sont mis à sa disposition,
et il lui est même permis d'établir un programme personnel de recherches à long terme;
aussi reste-t-il fidèle à G.E.C. jusqu'à son départ en retraite, à 69 ans. Son xuvre
se caractérise par l'égal intérêt qu'il porta aux travaux de recherche fondamentale et
hleurs rapides applications dans l'industrie.
Si l'on se contente d'un regard superficiel, on peut être tenté de considérer les mcherches de Langmuir comme très disparates; mais en les étudiant plus attentivement, on s''aperqoit qu'elles ont eu, au contraire, une continuité remarquable depuis leur origine, qui mmonte à ses travaux sur l'interaction entre les gaz raréfiés et le tungstène. La dissipation Hnergie thermique par un filament de tungstène porté à haute température, dans une stmosphère d'hydrogène, s'accroît anormalement au-delà de 2000'C : Langmuir l'explique en l'attribuant à la dissociation endothermique de la molécule d'hydrogène en ses deux atomes, et cela lui donne l'idée de réaliser un chalumeau à hydrogène utilisant l'énergie libérée par la combinaison d'atomes isolés en molécules d'hydrogène.
Doué d'une faculté d'observation peu commune, et grâce à de nombreuses expériences, il fait des découvertes extrêmement intéressantes. Ainsi, lorsqu'un filament est porté à haute température, dans une atmosphère raréfiée, la pression diminue jusqu'à une valeur minimale. Langmuir l'attribue à la fixation d'atomes de dissociation sur la paroi de l'enceinte. Cela le conduit à étudier d'une manière générale ce que nous appelons l'adsorption. Il examine cinétiquement et thermodynamiquement ce processus, dans un espace bidimensionnel, donc avec un degré de liberté en moins, et comprend rapidement l'importance de l'adsorption au plan fondamental; il montre que la fixation de gaz sur les métaux s'opère selon deux mécanismes qui constitueront le fil conducteur des recherches sur la catalyse hétérogène.
Il se préoccupe également de la distribution des espèces adsorbées à la surface des solides, en particulier lorsque les forces d'interaction sont de nature chimique (échanges d'électrons), et que la couche adsorbée est monomoléculaire. En 1916, il propose sa fameuse équation isotherme (2), où la vitesse de fixation du gaz est proportionnelle à la surface libre de l'adsorbant. On s'est aperçu par la suite que le domaine de validité de cette équation était moins étendu que prévu, à cause d'interactions latérales entre les particules adsorbées. D'autres formules furent proposées, dont la plus connue reste celle de Brünauer, Emmett et Teller (B.E.T.)(1935), fondée sur un modèle d'adsorption multicouche, et encore utilisée aujourd'hui pour déterminer la surface des catalyseurs à l'état solide.
Ces modifications ultérieures ne diminuent en rien la qualité de ces travaux effectués par Langmuir entre 1915 et 1918, et à la suite desquels il écrivit :
"Les atomes formant la surface d'un solide sont liés d ceux des couches inférieures par des forces semblables d celles qui s'exercent entre les atomes de la partie interne. Depuis les travaux de Bragg, nous savons que ces forces sont de nature chimique. Dans la couche superficielle, d cause de l'asymétrie des conditions, l'arrangement des atomes doit être légèrement différent de celui de l'intérieur. Ces atomes sont chimiquement insaturés, et donc environnés d'un intense champ de forces.
Lorsque les molécules de gaz entrent en collision avec n'importe quelle surface solide ou liquide, elles ne rebondissent pas, en général, de fagon élastique, mais se condensent à la surface, étant retenues par le champ de forces des atomes de cette surface. Ces molécules peuvent ensuite s'évaporer. Le temps qui s'écoule entre la condensation d'une molécule et son évaporation dépend de l'intensité des forces superficielles. L'adsorption est le résultat direct de cet intervalle de temps. Si les forces superficielles sont relativement intenses, l'évaporation aura lieu d une vitesse négligeable, si bien que la surface du solide sera complètement recouverte d'une couche rnoléculaire. Dans le cas d'une adsorption vraie, cette couche n'aura en général pas plus d'une molécule d'épaisseur, car aussitôt que la surface est recouverte d'une monocouche, les forces superficielles sont chimiquement saturées."
Au cours de ses recherches sur le tungstène, Langmuir s'intéresse au problème de l'émission d'électrons par les métaux portés à haute température, problème dont la solution va assurer l'avenir des lampes à incandescence et des tubes électroniques.
Son intuition le porte aussi à étudier les propriétés des surfaces de liquides. Dès le début, il est convaincu de l'analogie des phénomènes de surface dans les liquides et les solides. C'est pour mieux pénétrer les mécanismes de l'interaction gaz-solide qu'il entreprend d'examiner l'énergie superficielle des liquides et ses modifications. Au plan qualitatif, Pockel en Angleterre, Devaux et Marcellin en France, avaient déjà abordé la question. La contribution de Langmuir repose sur la construction d'un système ingénieux permettant de mesurer la tension superficielle des liquides. Il montre que la densité superfi elle des molécules d'acides gras est indépendante de la longueur de la chaîne dans la couche moléculaire. Il en déduit alors que ces molécules doivent être orientées perpendiculairement à la surface du liquide, et poursuit en affirmant que toutes les molécules à grande dissymétrie électrique ont, par certains groupements terminaux, une affinité pour le liquide, mais qu'elles sont assorties d'une répulsion due aux groupements diamétralement opposés. A partir de là, il propose une théorie générale de la tension superficielle des liquides purs, fondée sur la dissymétrie des interactions moléculaires au voisinage de la surface. Il relie ces données aux propriétés thermodynamiques des liquides purs et de leurs mélanges binaires. Les conséquences de cette thèse sont innombrables : métabolisme des protéines, fabrication de composés tensio-actifs utilisés comme détergents ou comme lubrifiants, etc.
Pendant la Seconde Guerre mondiale, on fit appel à Langmuir pour résoudre de nombreux problèmes techniques d'intérêt militaire : production de fumées de camouflage, dégivrage d'aéronefs, précipitation des pluies, détection de submersibles, etc.
L'oeuvre de ce créateur de la chimie des surfaces offre le meilleur témoignage du caractère irremplaçable de l'esprit de recherche pour l'innovation dans le domaine industriel.
De nombreuses distinctions et récompenses sont venues couronner l'oeuvre de ce chercheur, qui néanmoins resta toujours d'un abord agréable et d'une grande simplicité. Il s'éteignit le 16 août 1957 à Falmouth (Massachussets) des suites d'une crise cardiaque.
l. Où son père résida pendant plusieurs années en tant que directeur de l'agence européenne de la New York Life Insurance Company.
2. 0 = V/Vm = kp/l+kp. 0 : fraction de surface saturée, V : volume de gaz adsorbé, Vm : volume maximal adsorbable, p : pression, k : constante d'adsorption.
Pour sa découverte de l'hydrogène lourd.
(Walkerton, 1893 - La Jolla, 1981)
Né le 29 avril 1893 à Walkerton, petit village de l'Indiana aux Etats-Unis, dans une famille d'enseignants, Harold Clayton Urey est élevé par sa mère, très t6t veuve, et commence ses études dans des écoles provinciales plut6t médiocres, exerçant ensuite pendant trois ans comme instituteur. Puis il s'inscrit à l'Université de l'Indiana et à l'Université d'Etat du Montana. Etudiant en sciences, il marque une nette préférence pour la zoologie. Appelé à servir dans un laboratoire militaire durant la Première Guerre mondiale, il se découvre une passion pour la chimie, et comme il l'écrira plus tard, fait "une expérience fort heureuse car elle [l']a convaincu qu'[il n'était] pas fait pour la chimie industrielle; [il préférait] la recherche pure."
Après la guerre, il est nommé moniteur de chimie à l'Université du Montana, et en 1921 commence à préparer une thèse à l'Université de Califomie. Sous la direction du célèbre thermodynamicien Gilbert Newton Lewis, il étudie l'entropie des gaz diatomiques, qu'il calcule à partir des spectres moléculaires. Ayant soutenu sa thèse en 1923, Urey se toume alors vers l'étude de la structure atomique et s'en va passer l'année 1923-1924 à l'Institut de Physique théorique de Copenhague, où Nils Bohr l'encourage à poursuivre dans cette voie.
De retour aux Etats-Unis, il est chargé de recherches à l'Université Johns Hopkins, puis, de 1929 à 1945, il travaille à l'Université Columbia de New York, où il se consacre à l'étude des isotopes, publiant en 1930 un ouvrage, Les Atomes, les Molécules et les Quanta, en collaboration avec Arthur E. Ruark . De 1945 à 1958, il exerce à l'Université de Chicago, puis il est nommé professeur à l'Université de Califomie (à La Jolla), où il reste jusqu'à sa retraite.
Ses travaux sur la structure atomique sont particulièrement consacrés à la relation entre le nombre des protons et des électrons dans les atomes de différents isotopes. Portant le nombre des électrons en abscisse et celui des protons en ordonnée, il obtient un diagramme(1) dont la régularité, jusqu'à la masse atomique 36, lui permet d'entrevoir l'existence d'isotopes pour certains éléments : c'est ainsi qu'il prévoit que des noyaux comme 2H, 3H, 5He, existent. D'autres chercheurs étudiaient, à la même époque, la composition isotopique des éléments sur la base de la masse atomique. Ainsi, la différence entre la masse atomique de l'hydrogène déterminée par voie chimique (1,00777), et celle obtenue par Aston à l'aide du spectrographe de masse (1,00756) dépassait nettement l'erreur expérimentale. Cette différence était attribuée à la présence, en faible quantité (rapport l/4500e), d'un hydrogène de masse atomique 2. Urey se propose de vérifier cette hypothèse par voie spectroscopique, mais il faut pour cela de l'hydrogène enrichi en isotopes lourds. Le premier échantillon gazeux (1) est obtenu par distillation de 6 litres d'hydrogène liquide à pression atmosphérique; le deuxième (II) et le troisième (III) ont été obtenus à partir de 4 litres d'hydrogène liquide vaporisé sous pression réduite au dessous du point triple (13'95 K, 54mm Hg). Cette séparation fut réalisée par F. G. Brickwedde au Bureau of Standards à Washington, alors que G. M. Murphy et Urey avaient entrepris leur étude par spectrométrie d'émission atomique. A c6té du spectre de Balmer de l'hydrogène, Urey observe de faibles raies du 2H déplacées vers le violet et situées à des positions conformes à celles que prévoyait le calcul. Les raies de l'isotope 3H n'étaient pas présentes sur la plaque photographique : ce dernier en effet ne sera découvert qu'en 1934 par E. Rutherford.
La découverte de l'isotope 2H fait l'objet d'une lettre à la rédaction de la Physical Review, qui paraît au début 1932. Urey avait proposé d'appeler cet isotope le deutérium et de la représenter par la lettre D. Encore fallait-il l'isoler! S'inspirant d'une méthode mise au point par J. Kendall et E. D. Crittenden en 1923, et travaillant en collaboration avec E. W. Washburn, Urey entreprit l'électrolyse prolongée de l'eau. Les deux savants constatèrent effectivement un enrichissement du résidu de l'électrolyse en isotope lourd (2). Par la suite, on trouvera des quantités de deutérium plus importantes dans les eaux résiduelles après quelques années d'électrolyse de l'eau, lors de la fabrication industrielle de l'oxygène. Cette augmentation du taux de deutérium durant l'électrolyse de l'eau est due, d'une part, à l'existence d'une légère différence entre les potentiels normaux des deux isotopes, et d'autre part aux différentes vitesses de formation et de dégagement de molécules gazeuses atomiques à la cathode. En conséquence, la teneur en D,O augmente. C'est cette découverte originale qui vaut à Urey le prix Nobel de chimie.
Il continue à travailler dans cette voie en cherchant à séparer les isotopes naturels des autres éléments, mettant au point de nouvelles méthodes analytiques. En collaboration avec T. Taylor, il fractionne les isotopes du lithium et du potassium en se servant du processus d'échange ionique sur une zéolite à base d'ion sodium (3). Pour séparer les isotopes 15N et 13C, existant en faibles teneurs à l'état naturel, il élabore une méthode de concentration d'isotopes par voie chimique (4).
La disposition de ces isotopes lui a donné la possibilité d'élucider les mécanismes de plusieurs réactions chimiques. Grâce à l'isotope 18O, il a montré que dans les réactions d'estérification, la coupure est acide en ce qui concerne les alcools primaires et secondaires, tandis qu'elle est basique en ce qui conceme les alcools tertiaires.
Ces résultats ont permis à R. Schoenheimer d'introduire la technique des traceurs isotopiques dans l'étude plus complexe des mécanismes biochimiques.
Durant la Seconde Guerre mondiale, Urey participe aux travaux du "projet Manhattan". Il dirige les recherches sur la séparation du combustible 235U de 238U, abondamment présent dans les minerais uranifères; il s'occupe aussi des recherches concemant la concentration de l'eau lourde (modérateur dans la réaction de fission de 235U) dans les électrolyseurs industriels; enfin il dirige celles qui portent sur la séparation des isotopes du bore (absorbant des neutrons lents). Pris de remords pour avoir participé à la fabrication des bombes atomiques qui ont détruit Hiroshima et Nagasaki, il rejoint après la guerre le camp des opposants aux armes nucléaires.
A partir de 1945 Urey réoriente ses travaux et applique les résultats qu'il a obtenus dans l'étude des isotopes au domaine de la géochimie et de la cosmochimie. Il étudie la composition isotopique de l'oxygène dans les roches calcaires, et tente de déterminer la température de l'eau marine à l'époque de leur sédimentation carbonatée; il se propose ainsi de connaitre les conditions climatiques d'époques très reculées. C'est ce qui l'amène à émettre, sur les origines de la vie, l'hypothèse que l'atmosphère terrestre, à ses débuts, avait, comme celle de Jupiter aujourd'hui, des propriétés réductrices, et se composait essentiellement d'hydrogène, de méthane et d'ammoniac. Il montre avec son élève S. T. Miller qu'un tel mélange, soumis au rayonnement ultraviolet en présence de vapeur d'eau, conduit aux substances indispensables à la création de matière vivante.
Il s'est aussi intéressé à la composition des météorites. Il a proposé une hypothèse sur leur origine et formulé une théorie sur la genèse des éléments chimiques dans le soleil et les étoiles. Après la mission Apollo 11, en 1969, il a fait partie des privilégiés qui eurent la chance de procéder à l'étude des roches lunaires rapportées par les astronautes N. Armstrong et E. Aldrin.
Urey est mort le 6 janvier 1981 à La Jolla, en Califomie, à l'âge de 87 ans.
1. Il s'agit en fait du diagramme de relation entre le nombre de nucléons et le nombre de neutrons; mais en 1931 le neutron était inconnu.
2. Les constantes physiques du deutérium sont très voisines de celles de l'hydrogène, à ceci près que la masse atomique est double et que le point de liquéfaction à la pression normale est légèrement plus élevé (23'67 K au lieu de 20'39 K). Comme pour l'hydrogène, il existe deux variétés de molécules : l'orthodeutérium (les deux spins nucléaires sont parallèles) et le paradeutérium (couplage des spins antiparallèles).
3, Voir J. Chem. Phys., 1938, 6, 429.
4. Pour plus de détails, voir J. Chem. Phys., 1933, l, 37; J. Amer. Chem. Soc., 1935, 57, 321, et J. Chem. Soc., 1947, 562.
