En 2021, plus des deux tiers de la population mondiale utilisaient au moins un téléphone portable et ce nombre ne cesse de croître au fil des ans. La transition énergétique, comme celle des moteurs thermiques vers le « tout électrique » à l’horizon 2035 en Europe, va engendrer de nouvelles tensions sur le marché des matières premières stratégiques. En effet, cela impose d’en extraire de plus en plus ; c’est le cas du lithium utilisé dans les batteries, ou plus exactement, dans les « accumulateurs électriques » de tous ces objets mobiles.

À partir d’une série de questions, nous allons étudier certains aspects des batteries lithium-ion pour lesquelles trois chercheurs et professeurs (britannique, américain, japonais) ont reçu le prix Nobel de chimie en 2019. En nous appuyant, entre autres, sur les ressources du site Mediachimie, nous approfondirons plus particulièrement ceux liés au secteur de la chimie.

Parties des programmes de physique-chimie associées

• Programme de la spécialité physique-chimie de terminale générale, partie « Constitution et transformations de la matière » 3. A et C - Prévoir l’état final d’un système, siège d’une transformation chimique. 4. Élaborer des stratégies en synthèse organique.
• Programmes de physique-chimie et mathématiques Première STI2D et terminale STI2D, partie « Matière et matériaux » – Oxydo-réduction
• Programme de physique-chimie et mathématiques de terminale STL, partie « Constitution de la matière » -Réactions d’oxydo-réduction

Nous sommes aujourd’hui très familiers avec la lumière laser et ses utilisations : du pointeur à diode laser que l’on peut aisément se procurer dans le commerce au lecteur de code-barres des caisses de supermarchés, en passant par l’épilation ou la chirurgie laser... cette lumière extraordinaire a pris une place grandissante dans notre quotidien.  Mise à l’honneur par un nouveau prix Nobel cette année, le rayonnement laser et la compréhension de son interaction avec la matière a permis de nombreuses avancées en chimie fondamentale, mais également de multiples applications technologiques et industrielles.

En quoi le laser est-il devenu indispensable aux chimistes théoriciens tout comme aux industriels et quelles nouvelles perspectives peut-il encore leur apporter ?

Parties des programmes de physique-chimie associées

• Programme de la spécialité physique-chimie de terminale générale : « Ondes & signaux »  2. Former des images, décrire la lumière par un flux de photons
• Programme de physique-chimie en BTS « Systèmes Photoniques » partie « Optique ondulatoire : propagation libre d’une onde »
• Programme de physique-chimie en bac pro « Signaux : comment transmettre une information ? – Choisir une source lumineuse »
• Programme de physique-chimie et mathématiques de première STI2D : Ondes et information

En tant que chimistes, l'Intelligence Artificielle (IA) est une opportunité. Elle pourrait bouleverser nos méthodes de travail. L'IA permet la conception de modèles prédictifs, qui guident les chercheurs dans leurs décisions, tel un GPS pour les navigateurs que nous sommes.

Ces algorithmes d'apprentissage intelligents sont spécifiques à chaque question scientifique. Ils sont entraînés avec nos bases de données historiques. Ainsi, automatisation et robotique sont des atouts incontestables pour l'acquisition de bases de données structurées de grande ampleur.

De nouvelles compétences sont à acquérir. Vient alors une étroite collaboration entre chimistes et spécialistes de l'IA. Nous verrons dans cet exposé plusieurs illustrations de la puissance des algorithmes de machine learning pour accélérer la recherche de nouvelles molécules ou voies de synthèse et ainsi dessiner la chimie de demain : une chimie durable.

L’interdiction d’utilisation par la France, depuis le 1er septembre 2018, de produits phytopharmaceutiques issus de la chimie de synthèse comme les néonicotinoïdes, aux effets nocifs reconnus sur les insectes pollinisateurs, illustre le voeu d’une agriculture plus respectueuse de la santé et de l’environnement. Il incombe aux industriels d’accompagner ce changement que ce soit en créant de nouvelles molécules moins nocives ou au travers du biocontrôle, en s’inspirant de molécules naturelles. Comment les chimistes peuvent-ils contribuer à ce défi d’une agriculture durable par la fabrication de molécules actives contre les ravageurs des cultures ? Nous nous intéresserons dans cet article à l’exemple de la lutte contre la mineuse de la tomate grâce à des molécules synthétiques bio-inspirées : les phéromones.

Parties des programmes associées :

• Programme d’enseignement de spécialité de physique-chimie de la classe de première de la voie générale (en vigueur à partir de la rentrée 2019) – Constitution et transformations de la matière – 2. De la structure des entités aux propriétés physiques de la matière - B) De la structure des entités à la cohésion et à la solubilité/miscibilité d’espèces chimiques.
• Programme d’enseignement de spécialité de physique-chimie de la classe de première de la voie générale (en vigueur à partir de la rentrée 2019) – Constitution et transformations de la matière – 3. Propriétés physico- chimiques, synthèses et combustions d’espèces chimiques organiques - B) Synthèses d’espèces chimiques organiques.
• Programme de sciences physiques et chimiques en laboratoire de première STL - Synthèses chimiques.
• Programme de physique-chimie et mathématiques de première STL - Constitution de la matière - Solvants et solutés
• Programme d’enseignement de spécialité de physique-chimie de la classe de terminale de la voie générale (en vigueur à partir de la rentrée 2019) – Constitution et transformations de la matière – 2. Modéliser l’évolution temporelle d’un système, siège d’une transformation - A) Suivre et modéliser l’évolution temporelle d’un système siège d’une transformation chimique.
• Programme d’enseignement de spécialité de physique-chimie de la classe de terminale de la voie générale (en vigueur à partir de la rentrée 2019) – Constitution et transformations de la matière – 4. Élaborer des stratégies en synthèse organique.
• Programme de sciences physiques et chimiques en laboratoire de terminale STL - Chimie et développement durable - Composition des systèmes chimiques - Synthèses chimiques - Aspects macroscopiques ; mécanismes réactionnels.

La chimie, au cœur d’un nucléaire durable. L’industrie nucléaire est une industrie jeune. En 1789, le chimiste allemand Martin Heinrich Klaproth découvre le minerai d’uranium. Environ un siècle plus tard, en 1896, le français Henri Becquerel met en évidence sa propriété radioactive. En 1938, le physico-chimiste allemand Otto Hahn réalise pour la première fois la réaction de fission de l’uranium 235 (²³⁵U) puis en 1942, aux États-Unis, le physicien italien Enrico Fermi réalise la première réaction en chaîne contrôlée de fission nucléaire. Ce n’est qu’à partir des années cinquante que l’intérêt du nucléaire à vocation civile a pris son envol en particulier en France, aux États-Unis et en URSS.

Quel domaine récent de la science nous amènera les bienfaits suivants durant la première moitié du XXI^e siècle ?

• Une nouvelle génération de médicaments et vaccins permettra une médecine mieux ciblée et plus personnalisée et réactive.
• Des méthodes améliorées permettront de régénérer ou greffer nos organes malades ou blessés, sans problème de compatibilité.
• Une part de l’énergie qui nous chauffera et nous transportera viendra de biocarburants fabriqués à partir de résidus agricoles et ménagers.
• Les végétariens par choix philosophique auront la possibilité de consommer une viande de synthèse agréable de goût et de texture, évitant ainsi des régimes parfois insatisfaisants sur le plan diététique.

Réponse : la biologie de synthèse.

Depuis la découverte de l’effet photovoltaïque par Edmond Becquerel en 1839, l’efficacité des dispositifs de conversion de l’énergie lumineuse en énergie électrique a considérablement augmenté. Après une présentation de l’effet photovoltaïque, nous nous proposons ici de mettre en évidence l’importance des apports de la chimie dans le développement de l’énergie solaire. Nous verrons ensuite quels sont les usages actuels du photovoltaïque et, pour finir, quels seront sans doute ses usages futurs.

Parties des programmes associées :

• Programme de spécialité physique-chimie de première générale : Ondes et signaux. Partie 2B : Modèles ondulatoire et particulaire de la lumière (énergie d’un photon ; description qualitative de l’interaction lumière-matière)
• Programme de physique-chimie de première STL : Ondes électromagnétiques
• Programme de spécialité physique-chimie de terminale générale : Ondes et signaux. Partie 2B : Décrire la lumière par un flux de photons (effet photoélectrique ; absorption de photons ; rendement d’une cellule photovoltaïque)
• Programme de physique-chimie de terminale STL : Énergie et ondes
• Programme d’enseignement scientifique de terminale générale : Le futur des énergies (Partie 2). Partie 2.1 : Deux siècles d’énergie électrique (matériaux semi-conducteurs, en particulier le silicium). Partie 2.2 : Les atouts de l’électricité (conversion de l’énergie radiative)
• Programme de physique-chimie BTS photonique : Optique ondulatoire/Interaction photon-matière/Optique énergétique

Le procédé de composition en caractères mobiles mis au point par Johannes Genfleisch dit Gutenberg (1397 ?- 1468) vers 1450 a permis le développement de l’imprimerie. Grâce à cette invention, des traités de chimie pratique sont publiés.

Dès 1500, le premier texte descriptif parait, il a pour titre « Buch zu Distillieren » (livre de la distillation), il est écrit en allemand et des dessins figurent dans l’ouvrage. Son auteur est Hieronymus Brunschwig (1450 ?-1512 ?). Il est né à Strasbourg, possession du Saint Empire romain germanique, c’est pourquoi il écrit en allemand. C’est un traité pratique qui donne de nombreux détails, décrit les appareils à distiller ainsi que leur utilisation en pharmacologie. Pour Brunschwig, la distillation est une technique de purification.

En Italie, c’est Vannoccio Biringuccio (1480-1539 ?), chimiste, mathématicien et spécialiste de la métallurgie qui rend compte, dans un ouvrage paru en 1541 à Venise, de l’utilisation de la chaleur dans les fonderies. Ce livre « la Pirotechnia » est un traité clair qui détaille la fabrication de la poudre à canon ainsi que la métallurgie et la fonte de nombreux objets, il est écrit en italien, possède un sommaire détaillé. Biringuccio décrit quelques métaux comme l’or, l’argent, le cuivre, le plomb, l’étain, le fer et aussi le mercure et le soufre. Son ouvrage comporte 94 illustrations et est traduit en français en 1556.

« De re metallica » (de la métallurgie) est imprimé en 1556 à Bâle un an après la mort de son auteur un médecin et chimiste saxon Georg Bauer dit Agricola (1494-1555). Cet ouvrage décrit la prospection, l’extraction des minerais, leurs traitements chimiques ainsi que l’affinage des métaux. Il est basé sur les expériences personnelles d’Agricola. Ce dernier donne une définition du métal : « Un métal est un corps extrait du sol, liquide ou liquéfiable par la chaleur du feu. Quand il se refroidit, il revient à sa dureté et à sa forme antérieure. En cela, il diffère des pierres fusibles, car celles-ci, une fois refroidie, ne reviennent pas à leur forme antérieure ».

Le dernier personnage Lazarus Ercker (1530-1594), chimiste et métallurgiste, signe un traité en 1574 sur « la description des méthodes de traitement et d’exploitation des minerais ». Il expose, de manière systématique les techniques utilisées à l’époque ainsi que les méthodes appliquées pour titrer les métaux précieux car il est contrôleur de la monnaie à Kutna Hora près de Prague. On peut considérer ce manuel comme le premier manuel de chimie analytique.

Ainsi grâce à l’imprimerie et à l’exploitation des carrières et des mines, de nombreux ouvrages techniques et métallurgiques paraissent. Ils décrivent des méthodes utilisées, ils s’adressent aux techniciens, sont rédigés dans la langue du pays et sont bien illustrés. Ils ont eu une influence considérable sur le développement de la chimie.

Pour en savoir plus :

Hieronymus Brunschwig (1450?-1512?), notice BNF

Vannoccio Biringuccio (1480-1539), notice BNF

La nature et la formation des métaux selon Agricola et ses contemporains, de Robert Halleux, Revue d'histoire des sciences, tome 27, n°3, 1974. pp. 211-222. DOI : https://doi.org/10.3406/rhs.1974.1086

Robert Boyle (1627-1691) est à la fois physicien et chimiste et aussi un habile expérimentateur qui défend la méthode expérimentale.  Dans son ouvrage « Expériences sur les couleurs » paru en 1663, Robert Boyle ne s’intéresse pas à la lumière comme Isaac Newton (1642- 1727) mais à la matière colorée. Il réalise de nombreuses expériences avec divers réactifs afin de distinguer les acides et les bases, de reconnaitre les chlorures. C’est le début de l’utilisation des réactifs colorés en chimie.

Robert Boyle est considéré comme le créateur de l’analyse chimique. Il décrit une expérience dans laquelle une solution colorée change de couleur en présence d’un acide ou d’une base. Il indique qu’il utilise une décoction de sirop de violette. Pour réaliser la décoction, il met les pétales de violette dans de l’eau qu’il porte à ébullition puis il laisse macérer avant de filtrer la solution obtenue. Cette solution est d’un bleu violet.
Il met quelques gouttes de ce réactif sur un papier blanc puis il ajoute quelques gouttes d’acide ou de base, il constate un changement de couleur. En présence d’acides le papier devient rouge et vert en présence de bases. Il utilise aussi d’autres solutions colorées comme le suc de bluet, la liqueur de bois de Brésil, la teinture de cochenille. Le suc de bluet rougit avec les acides et verdit avec les bases. La liqueur de bois de Brésil et la teinture de cochenille prennent une teinte plus vive avec les acides et gardent la couleur primitive avec les bases. Ce protocole expérimental de test d’acidité conduira au papier pH.

Le papier pH utilisé de nos jours est un papier imbibé d’un indicateur universel. Lorsqu’on dépose une goutte de solution sur le papier pH, celui-ci prend la teinte du pH de la solution. Les indicateurs colorés utilisés en pH-métrie sont des couples acido-basiques dans lesquels l’acide et la base conjuguée ont des couleurs différentes. Ils permettent de déterminer l’équivalence lors d’un dosage acido-basique.

Avec le nitrate d’argent, il identifie les chlorures. Il se forme un précipité de chlorure d’argent qui noircit à la lumière. Les bromures et les iodures réagissent aussi avec le nitrate d’argent en donnant des précipités jaunes. Ces tests sont toujours utilisés de nos jours.

Plus généralement, les indicateurs colorés sont des couples de deux espèces chimiques de couleur différente. En fonction du milieu, une des formes prédomine et donne sa couleur à la solution. Une des formes peut-être incolore. Il existe des indicateurs colorés redox comme le bleu de méthylène, des indicateurs colorés de complexométrie comme le noir ériochrome T utilisé pour mesurer la dureté de l’eau et des indicateurs de précipitation comme le chromate de potassium.

Le progrès médical. 1933, p9, BIU Santé, licence ouverte 
 

Pour en savoir plus :

Robert Boyle (1627-1691) et la pharmacologie, de Patrice Pinet, Revue d'histoire de la pharmacie, 88ᵉ année, n°328, 2000. pp. 471-484. DOI : https://doi.org/10.3406/pharm.2000.5153

La méthode scientifique de Robert Boyle, de Marie Boas, Revue d'histoire des sciences et de leurs applications, tome 9, n°2, 1956. pp. 105-125. DOI : https://doi.org/10.3406/rhs.1956.3570

Le XVIIe siècle dans l'histoire de la matière selon Chevreul, de Josette Fournier, Revue d'histoire de la pharmacie, 90ᵉ année, n°333, 2002. pp. 31-52. DOI : https://doi.org/10.3406/pharm.2002.5322

Histoire de la chimie depuis les temps les plus reculés jusqu'à notre époque, par le Dr. Hoëfer, Le Journal des sçavans, Académie des inscriptions et belles-lettres (France), 185, p. 250

L’hydrogène H₂ existe parfois dans des sites géologiques bien identifiés ! L’hydrogène d’origine géologique a des influences non encore prises en compte sur le climat avec en particulier un impact sur les concentrations de l’ozone atmosphérique en raison de son pouvoir réducteur puissant. Des puits fonctionnent déjà au Mali, en Amérique du Nord et plus récemment en Australie et même en Europe !