Introduction générale des concepts en chimie

La chimie est une science de la nature qui étudie la matière et ses transformations c'est-à-dire les lois d'interaction des atomes et des molécules.

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Principes de base de la chimie

 

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La chimie étudie plus précisément :

1. les éléments chimiques à l'état libre qui vont s'associer par liaisons chimiques pour engendrer notamment des composés moléculaires stables ou des intermédiaires réactionnels plus ou moins instables. Ces entités de matière peuvent être caractérisées par une identité reliée à des caractéristiques quantiques et des propriétés précises ;
2. les processus qui changent ou modifient ces particules ou molécules de matière, (réaction chimique, transformation, interaction, etc.) ;
3. les mécanismes réactionnels intervenant dans les processus chimiques ou les équilibres physiques entre deux formes, qui permettent d'interpréter des observations et d'envisager de nouvelles réactions ;
4. les phénomènes fondamentaux observables en rapport avec les forces de la nature qui jouent un rôle chimique, favorisant les réactions ou synthèses, addition, combinaison ou décomposition, séparation de phases ou extraction. L'analyse permet de découvrir les compositions, le marquage sélectif ouvre la voie à un schéma réactionnel cohérent dans des mélanges complexes.

La distillation fractionnée sert à séparer des liquides

Structure de la matière

La mécanique newtonienne ne permet plus de décrire les phénomènes chimiques car les dimensions des atomes ou molécules sont du même ordre de grandeur que les distances d'interactions entre les particules chimiques.

Les ondes électromagnétiques ne concernent que les photons qui se déplacent à la vitesse c = 300 000 km/s. Les électrons en déplacement décrivent des ondes également mais non-électromagnétiques. Tout corpuscule même macroscopique décrit une onde comme déterminée par la relation de de Broglie. Pour les objets macroscopiques (voiture par exemple) la longueur d'onde est trop petite pour être détectée. Elles sont négligées et la mécanique newtonienne est une très bonne approximation pour interpréter leurs interactions.

En revanche, la mécanique quantique fait place à la mécanique classique pour comprendre la réactivité chimique. À l’échelle atomique, l'énergie est quantifiée et non plus continue. Les atomes et molécules occupent des niveaux d'énergies (vibratoires, rotationnels, etc ...) qui sont décrits par la mécanique ondulatoire. Cette mécanique raisonne en termes de probabilité de présence de l'entité chimique à un certain niveau d'énergie. De même dans l'atome, les électrons occupent des niveaux d'énergie définis. Les ondes décrivant les électrons interfèrent entre elles pour former des ondes d'interférences à l'origine des différents types de liaison entre les atomes dans les molécules.

Les atomes sont constitués de nucléons (neutrons et protons) liés entre eux par l'interaction forte, par échange de pions. Cette force domine fortement les forces électromagnétiques de répulsions à très courte distance par rapport aux dimensions des noyaux.

Les forces de répulsions électrostatiques agissent par échange de photons entre les charges positives (protons) ou négatives (électrons). Par analogie la force gravitationnelle agit par l'échange de gravitons entre les blocs de matière.

Réaction chimique

Les atomes peuvent se combiner pour former des molécules. C'est la réactivité chimique au cœur de la matière. Une réaction chimique constitue la transformation d’une ou de plusieurs espèces chimiques en d'autres espèces chimiques.

Lois chimiques

La chimie est une science expérimentale et descriptive qui a conduit à de nombreuses lois physico-chimiques.

Disciplines de la chimie

La chimie est divisée en plusieurs spécialités expérimentales et théoriques.

Les principales disciplines en chimie sont :

• la chimie inorganique ou chimie minérale concerne la description et l'étude des éléments chimiques et des composés sans squelette carboné ;
• la chimie organique recense la description et l'étude des composés comportant un squelette d'atomes de carbone (composés organiques) ;
• la chimie physique dont l'objet constitue l'étude des lois physiques des systèmes et procédés chimiques ; ses principaux domaines d'étude comprennent :
  • la thermochimie ou thermodynamique chimique permet d'expliquer la faisabilité des réactions chimiques en terme énergétique.
  • la cinétique chimique (vitesse des réactions, réactivité, catalyse)
  • l'électrochimie qui s’intéresse aux relations entre la chimie et l’électricité. Elle décrit les phénomènes chimiques couplés à des échanges réciproques d’énergie électrique.
  • la radiochimie, et
  • les spectroscopies ;
• la chimie des matériaux présente la préparation et l'étude de substances avec une application en tant que matériau. Ce domaine intègre des éléments des autres domaines classiques de la chimie avec un intérêt particulier pour les problèmes fondamentaux concernant les matériaux ;
  • chimie des polymères
  • ...
• la biochimie qui étudie les réactions chimiques dans des milieux biologiques (cellules…) ou avec des objets biologiques (protéines…) ;
• la chimie analytique regroupe l'étude des méthodes d'analyses qualitatives ou quantitatives qui permettent de connaître la composition d'un échantillon donné ;
  • la chromatographie et
  • la spectroscopie en constituent ses principaux domaines ;
• la chimie théorique analyse l'étude de la chimie à travers un raisonnement théorique fondamental (habituellement à l'aide des mathématiques et de la physique). En particulier, l'application de la mécanique quantique à la chimie a donné naissance à la chimie quantique. Depuis la fin de la Seconde Guerre mondiale, le progrès des ordinateurs a permis le développement de la chimie numérique (ou computationnelle).