LE ROLE DE L'IMAGE DANS L'INTERPRETATION
ET LA PREDICTION DES COMBINAISONS
CHIMIQUES CHEZ AMPERE.
Myriam SCHEIDECKER
Laboratoire de Chimie organique du Fluor Université de Nice
MOTSCLES : AMPERE MODELE STATIQUE DES GAZ FORME REPRESENTATIVE -COMBINAISON CHIMIQUE.
RESUME: Au début du XIXème siècle, les "géomètres et les physiciens" tentent de rendre compte des phénomènes physiques par l'analyse mathématique. La fonnalisation analytique de la chimie reste impossible dans l'ignorance où l'on se trouve des lois qui régissent les forces qui s'exercent entre "les particules ultimes de matière". En se fondant sur les résultats des travaux d'Haüy en cristallographie, Ampère peut se donner les formes représentatives des édifices moléculaires, et substitueràune étude analytique de la chimie une étude géométrique. La géométrie permet alors de rendre compte des combinaisons chimiques connues et de prévoir celles qui sont encore inconnues.
SUMMARY : At the beginning of the 19th century, "geometers and physicists" try to explain physical phenomenons by means of mathematical analysis. Starting from Haüy's results in cristallography, Arnpere is able to give himself the geornetrical patterns representative of the molecular structures, and hence forth, substitute a geometrical approch of the chemistry problems to the impossible analytical one. The geometrical approach enables him to take into account not only already known chemical compounds but alse still unknown ones.
1. AMPERE ET LES IMAGES SUR LA STRUCTURE INTIME DE LA MATIERE
Lorsqu'en 1814 Ampère aborde l'étude des phénomènes chimiques, on suppose le plus souvent que les propriétés des substances résultent des propriétés des "particules ultimes de matière" et de leur agencement.Lavision est statique. Les particules ultimes de matière se répartissent les unes par rapport aux autres sous l'effet de forces attractives et répulsives jusqu'à ce qu'un équilibre s'établisse entre toutes les forces en présence et ce, aussi bien à l'état solide qu'aux états liquide et gazeux: "(...)etilfaut chercher l'explicationdeces phénomènes dans la manière dont ces molécules se placent les unes à l'égard des autres pour former ce que je nomme une particule. D'après cette notion, on doit considérer une particule comme l'assemblage d'un nombre déterminé de molécules dans une situation déterminée, renfermant entre elles un espace incomparablement plus grand que le volume des molécules et pour que cet espace ait trois dimensions comparables entre elles,ilfaut qu'une particule réunisse au moins quatre molécules. (...)"(AMPERE,1814(1)
L'on admet que la chaleur est un fluide impondérable, le calorique, la calorimétrie, en mettant en évidence la conservation de la chaleur, rend cette hypothèse fort probable, on peut penser que la chaleur, en pénétrant les solides, écarte les particules intégrantes et que dans les gaz ces particules immobiles, se trouvent très éloignées les unes des autres relativement à leurs dimensions propres. Ceci explique que tous les gaz permanents ont le même comportement, (les mêmes propriétés thermo-élastiques) que traduit les lois de Mariotte et de Gay-Lussac. Dans ce cas les forces d'affinités et de cohésion propres à chaque gaz cessent d'avoir une action appréciable.
Ampère donneàses écrits un caractère positif,iluse d'un principe d'économie de pensée, il élimine toute hypothèse inutile à son propos ou qui n'aurait pas un fondement dans l'observation ou l'expérimentation.
2. ELABORATION D'UN "MODELE GEOMETRIQUE" DE LA COMBINAISON CHIMIQUE
Dans le courant du 18ème siècle, l'analyse mathématique appliquée à la mécanique a fait de cette science une branche des Mathématiques.
Elle est en fait devenue un modèle dans les autres domaines de la physique. Mais une formalisation analytique des lois de la combinaison chimique est impossible dans l'ignorance où l'on se trouve des fonctions qui représentent les forces propres aux particules de matière.
Se fondant sur la représentation de la matière d'Haüy, Ampère va substituer à une étude analytique, une étude géométrique. Il est sûr d'être entendu de ses lecteurs à une époque où la géométrie, dont l'exposé a été portéàla perfection par Legendre, tient une large place dans la culture scientifique.iln'est d'ailleurs pas nécessaire qu'Ampère signale que les forces sont la cause de l'architecture des particules ni que les caractères de symétrie de ces architectures proviennent de lois régulières dues à des forces radiales.
Les résultats obtenus en cristallographie par Haüy dispensent d'un tel propos, ils légitiment de ne retenir que des architectures régulières.
Puisqu'il n'y a pas discontinuité entre les 3 états de la matière, "la nature étant toujours fidèle à elle-même", Ampère applique sans hésitations les résultats d'Haüyàl'état gazeux.
Le modèle d'Haüy sur la "structure intime" des cristaux est une extrapolation à partir des fonnes obtenues par clivage à notre échelle, jusqu'à la "molécule intégrante" qui ne nous est pas accessible. (HAUY,1822(2».
Ampère reprend5fonnes primitives de base parmi les6fonnes retenues par Haüy : le tétraèdre, l'octaèdre, le parallélépipède, le prisme hexaèdre, le dodécaèdre rhomboï:dal (schéma1).
Ces polyèdres ne doivent leur stabilité qu'aux forces d'attraction et de répulsion qui s'exercent entre les molécules disposées à chacun de leurs sommets. Ainsi en supposant que les fonnes représentatives de base ou particules de matière sont conservées à l'état gazeux, écartées certes davantage par la force répulsive du calorique, mais conservant leur identité physique, Ampère donne un premier point d'ancrage àsathéorie.
Par raison de simplicité, Ampère attribue aux particules de gaz simples usuels les plus connues, la structure la plus simple, celle du tétraèdre.La"particule" d'oxygène est donc fonnée de4 "molécules" situées à chaque sommet du tétraèdre.
Le deuxième point d'ancrage de la théorie d'Ampère est la loi volumétrique de Gay-Lussac récemment découverte (GAY-LUSSAC,1809(3». Cette loi montre que si le corps fonné est gazeux à partir de constituants également gazeux, au cours d'une réaction chimique les volumes des gaz réagissants et du gaz résultant, pris dans les mêmes conditions de température et de pression, sont dans des rapports entiers et simples entre eux.
Ampère interprète cette loi en faisant l'hypothèse que des volumes égaux de tous les gaz pris dans les mêmes conditions de température et de pression, contiennent le même nombre de particules. C'est une hypothèse qui semble à l'époque beaucoup plus risquée que celle de l'existence des fonnes représentatives, et qui ne fera pas de consensus chez les contemporains d'Ampère (à l'exception d'AVOGADRO qui formule la même hypothèse dans un article paru en1811(4) et ignorée d'Ampère). Orcette hypothèse était indispensable à Ampèrepourrendre opératoire dans le cadre desathéorie, la récente loi découverte par Gay-Lussac
"Ainsi "-nous dit Ampère- "une/ois admiseilsuffiradeconnaître les volwnes à l'état de gaz d'un corps composé et des composants pour savoir combien une particule du corps composé contient de particules ou de ponions de panicule des deux composants."(AMPERE, 1814(5)
Exemples:
oxygène +azote umm>
1/2
volume +1/2
volume m_m_> 1/2particule+1!2
particule nm>1/2
tétraèdre+1!2
tétraèdre m_> 2 molécules +2 molécules m_> gaz nitreux 1volume (Gay-Lussac) 1 particule 1 tétraèdre -->(Ampère) 4 molécules. 02+
N2 nn_m> 2NO (écriture actuelle)oxygène
+
azote u_> 1/2 volume +1 volume m > 1/2 particule+1 particule __um_> 1/2 tétraèdre+1tétraèdre--->
2 molécules+
4 molécules __nm_> oxyde d'azote. 1volume (Gay-Lussac) 1particule 1 octaèdre ---> (Ampère) 6molécules. 02+2N2 m> 2 N20 (écriture actuelle)Cest alors que la combinaison chimique devient pour Ampère une composition géométrique pure et simple."(ou)Quandles particules se réunissent en une particule unique, c'est en se plaçantde manière que les centres de gravité des panicules composantes étant au mbne point, les sommets de l'une se placent dans les intervalles que laissent les sommetsdel'autre et réciproquement (...)". (AMPERE, 1814(6».
Exemple:
-1tétraèdre+2 Octaèdres ne peuvent se combiner,ilen résulte une figure bizarre.Parcontre 1 octaèdre et 2 tétraèdres peuvent parfaitement se combiner, la figure résultante étant le dodécaèdre, figure parfaitement symétrique.
Et donc si A a pour forme représentative le tétraèdre et B a pour forme représentative l'octaèdre : AB2 (écriture actuelle) n'est pas possible, alors que A2B (écriture actuelle) l'est
Lecas de la formation du chlorure d'Ammonium était pour Ampère un cas particulièrement intéressant puisque les deux composants, l'acide muriatique (notre actuel acide chlorhydrique) et l'ammoniac réagissent tous les deuxàl'état gazeux pour former un composé solideàtempérature ambiante.TIdevenait possible de valider expérimentalement la théorie en quelque sorte, de prouver que les hypothèses étaient plausibles.
gaz muriatique+gaz ammoniacal 1volume +1volume 1 particule
octaèdre
+1particule
+
cube_u_m_> sel d'ammoniac _u_m_> composé solide _u_m_> 1particule
_nn > dodécaèdre rhomboïdal
HCI (g)+NH3(g) n > NH4CI (s) (écriture actuelle) (cf schéma 2) La forme de la particule de Hel pour Ampère se déduit tout naturellement de la réaction de formation de cet acideàpartir du chlore et de l'hydrogène dès lors que l'on connaît la forme des particulesde ces gaz composants :
hydrogène
+
chlore _um__> 1/2 volume + 1/2 volume ---mu> 1/2 particule+
1/2 particule _mm_> 1/2tétraèdre+ 1/2 cube u __m_> 2 molécules+
4 molécules--->
H2+CI2 _m >
acide muriatique vol (loi de Gay-Lussac) 1particule
1
octaèdre
(Ampère) 6 moléculesOn voit donc quede tous les gaz composés connus:
- Les fonnes repr6sentatives se déduisent ainside proche en procheàpartir des quelques hypothèses de départ sur l'oxygène, l'hydrogène, l'azote, le chlore.
- Ampère s'attendàlrouver pour NH4 Cl un dodécaèdre rhomboïdal. Sisa théorie est exacte et, dit-il,"Cette forme est en effet une de celles qui appartiennenl au système de cristallisation du sel
ammoniac, et tous les autres pourraient, par conséquent, y etre ramenés par différents
décroissements. "
3. CONCLUSION
La chimie d'Ampère a le mérite d'introduire des règles de combinaisons chimiques qui présupposent l'existence d'édifices moléculaires stables, àune époque où l'actuelle distinction atomes! molécules n'était pas encore faite.
D'ailleurs, le concept même de combinaison chimique n'était pas dépourvu d'ambiguité. En effet la distinctionàopérer entre" mélange" et "combinaison" ne s'imposait pas d'elle-même. A ce sujet, Berthollet(1748-1822)et Proust(1755-1826)s'affrontaient au cours d'une conlroverse qui est restée célèbre(KIYOHSA, 1986(7) et qui n'étaitparterminéeàl'heure où Ampère imagine sa nouvelle théorie.
Bien qu'Ampère, en édifiant sa théorie géométrique de la combinaison chimique ait largement contribuéà élucider ce concept,ilévite soigneusement de prendre parti danslaconlroverse des deux grands chimistes.
4. BIBLIOGRAPHIE
(1)AMPERE (A.M.),1814. -Lettre de Mr Ampère
à
Mrle Comtede Berthollet "sur la détermination des proportions dans lesquelles les corps se combinent".InAnnales de chimie, 90, p 44.(2)HAUY,1822. -'Traitédecristallographie". Ed. Bachelier et Huzard, Paris. (3)GAY-LUSSAC(1),1809. -Mémoires de la Société d'Arcueil, 2,207-233.
(4)AVOGADRO (A.),1811. -"Essai d'unemanièrede déterminer les masses relatives des molécules élémentaires.InJournal de physique, de chimie et d'histoire nalurelle,73,p58.
(5) cf(I)P 47. (6) cf(I)P55.
(7)KlYOHSA (Fujii),1986. - "The Berthollet-Proust conlroversy and Dalton's chemical theory 1800-1820". B.J.H.S, 177-200.
