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10 réactions chimiques qui ont changé le monde
La chimie nous entoure tous les jours. De la cuisson de nos aliments à la conduite de nos voitures en passant par notre propre métabolisme corporel, nous ne pouvons pas échapper au réarrangement constant des atomes et à l'échange d'énergie qu'est la chimie.
Bien que ce changement constant d'atomes forme un fond presque imperceptible dans notre vie quotidienne, certaines réactions ont réellement changé, ou vont changer, la façon dont l'humanité a vécu. Certains à cause de ce que nous pourrions faire avec eux. D'autres à cause de ce qu'ils nous ont montré. Mais tous sont devenus des points de repère dans le voyage de l'humanité.
Voici 10 réactions chimiques qui ont changé le monde.
10 Synthèse d'ammoniac
L'azote est l'un des éléments les plus importants de la vie, peut-être uniquement derrière le carbone. C'est un composant clé de l'ADN, de l'ARN, des protéines et de la chitine (un polymère biologique similaire à la cellulose que l'on trouve dans les champignons, les insectes, les homards, les crevettes et certains poissons). L'azote est également l'un des éléments les plus abondants sur Terre, représentant environ 78% de l'atmosphère de la planète. Cependant, l'azote présent dans l'atmosphère se présente sous la forme de N2, qui est hautement non réactif et non utile pour la plupart des formes de vie.
Par conséquent, l'azote doit être fixé en le convertissant en des formes plus réactives, telles que l'ammoniac, les nitrates et les nitrites. Dans la nature, cela est généralement fait par des bactéries spécialisées. Ces bactéries forment une relation symbiotique (ce qui signifie que les deux organismes en bénéficient) avec de nombreuses plantes vivant dans des nodules dans les racines.
Cependant, toutes les plantes ne forment pas cette relation. En particulier dans le cas de l’agriculture commerciale, des cultures telles que le maïs ne fixent pas l’azote mais l’absorbent par le sol. Si une culture qui ne fixe pas l'azote est cultivée pendant plusieurs saisons, il sera nécessaire d'ajouter de l'engrais. Cependant, peu de matières naturelles contiennent suffisamment d’azote pour servir d’engrais. Par conséquent, pour répondre à la demande croissante de produits alimentaires, il était nécessaire de trouver un meilleur moyen de produire des engrais azotés.
Le processus Haber-Bosch était la première étape. Développé par Fritz Haber et Carl Bosch en 1918, le procédé utilisait à la fois des températures élevées et des pressions élevées et un catalyseur de fer pour produire une grande quantité d'ammoniac à partir d'hydrogène et d'azote gazeux.
L'ammoniac étant relativement peu coûteux à produire, il est devenu une alternative viable aux engrais naturels. Aujourd'hui, l'ammoniac est le deuxième produit chimique le plus produit par tonnage, après l'acide sulfurique seulement.
9 Polymérisation de polyéthylène
Le plastique a révolutionné le monde. Comme ils sont faciles à mouler, qu'ils résistent à la fois à la chaleur et aux attaques chimiques et qu'ils sont bon marché, les plastiques sont devenus un matériau omniprésent dans la vie quotidienne, en particulier le polyéthylène. Venant sous une variété de formes telles que le polyéthylène haute densité et le polyéthylène basse densité, il est utilisé dans les sacs en plastique, les bouteilles de lait et même les gilets pare-balles.
Le polyéthylène a été découvert accidentellement en 1933 par deux scientifiques travaillant pour le laboratoire de recherche de l’Impérial Chemical Industries alors qu’il tentait de faire réagir de l’éthylène et du benzaldéhyde. Au lieu de cela, un matériau cireux a été découvert, qui s'est avéré être un polymère d'éthylène. Un polymère est une substance composée de nombreuses unités répétitives. D'autres polymères incluent la cellulose et l'ADN.
En 1937, le matériau avait été mis au point sous forme de film et avait été utilisé comme isolant pour les fils et les composants radar par les Britanniques lors de la Seconde Guerre mondiale. Comme il fabriquait des composants électriques assez légers pour être placés dans des avions, sa structure et sa fabrication constituaient un secret hautement gardé. Le polyéthylène est aujourd'hui le plastique le plus produit au monde, avec 81,8 millions de tonnes fabriquées en 2015 et près de 100 millions de tonnes en 2018.
8 combustion de l'hydrogène
À la fin des années 1700, la chimie était une science sous-développée. La plupart des produits chimiques étaient enracinés dans les éléments grecs que sont l'air, l'eau, la terre et le feu, et des ajouts ont été apportés au besoin pour expliquer les observations.
Phlogiston est l’un des ajouts les plus remarquables. Développé par Georg Stahl, le concept indiquait que toutes les substances inflammables contenaient un élément de feu appelé phlogiston. Lors de la combustion, ce phlogiston serait perdu dans l'air. Cela semblait expliquer pourquoi le charbon de bois brûlé pesait moins que le charbon de bois d'origine. Cependant, cette théorie n'a pas permis d'expliquer pourquoi certaines substances, telles que le phosphore et le soufre, gagnaient en masse lors de la combustion.
Entrez Antoine Lavoisier, un scientifique français très sceptique quant à la théorie du phlogiston. Dans son expérience peut-être la plus célèbre, il a brûlé ce qui était connu sous le nom d'air inflammable (hydrogène) avec de l'air normal. Le produit était de l'eau. Lavoisier croyait que l'eau devait être une combinaison d'une substance présente dans l'air (qu'il appelait l'oxygène) et de l'air inflammable.
Il a ensuite soutenu son hypothèse en décomposant l'eau en oxygène et en hydrogène. En 1789, le nouveau système de chimie de Lavoisier est entièrement publié dans son manuel. Traite Elementaire de Chimie (“Elements of Chemistry”), qui a abandonné le système grec et jeté les bases de la chimie moderne.
7 Réduction et oxydation du zinc et de l'argent
Quand Alessandro Volta est né à Côme, en Italie, en 1745, l'électricité était un phénomène mal compris. On savait que l’électricité pouvait être conduite et qu’elle se présentait sous deux formes (ce que l’on nommera plus tard positif et négatif).
Peu de temps après la naissance de Volta, Benjamin Franklin a démontré que la foudre était en réalité de l'électricité. Bien que Volta n’ait pas fait d’études universitaires, il est devenu largement reconnu en tant que scientifique de son époque. En 1775, il développa l'électrophorus perpétuel, une amélioration par rapport aux versions précédentes de l'électrophorus. Cependant, une autre invention devait être sa plus importante.
En 1780, le scientifique Luigi Galvani affirma que les muscles des animaux produisaient de l'électricité lorsqu'ils se contractaient. Il a appelé cette «électricité animale» et a estimé qu’elle était différente de l’électricité ordinaire.
Volta n'était pas d'accord, notant que les cuisses de grenouille de Galvani avaient été reliées à deux métaux différents au cours des expériences. Volta a ensuite démontré qu'en empilant des disques métalliques alternant argent et zinc, avec des chiffons imbibés de saumure, il pouvait créer un courant électrique constant sans animaux.
Cependant, il a été immédiatement reconnu que l’invention de Volta était bien plus utile que le simple règlement de son différend avec Galvani. Toutes les sources d’électricité précédentes ne pouvaient en générer que de manière éclatée. En générant un courant constant, l'invention de Volta a permis une étude plus rigoureuse, jetant ainsi les bases du travail révolutionnaire de Faraday dans l'électromagnétisme.
6 synthèse de l'urée
Le vitalisme était une théorie selon laquelle les systèmes vivants étaient régis par des principes complètement différents de ceux des systèmes non vivants. De plus, on pensait que les composants qui constituaient des systèmes vivants ne pouvaient pas être constitués de composants non vivants. Cette croyance était largement répandue au 19ème siècle et était utilisée pour expliquer pourquoi de nombreux systèmes vivants semblaient incompréhensibles par rapport aux systèmes non vivants.
Cependant, le scientifique allemand Friedrich Wohler a changé cela. Déjà connu pour son isolation d'aluminium pur en 1825, Wohler essayait de synthétiser du cyanate d'ammonium en 1828. Cependant, lorsqu'il réagissait au cyanate d'argent et au chlorure d'ammonium pour produire le cyanate d'ammonium, il produisait des cristaux blancs. Il a par la suite identifié la substance comme étant de l'urée.
L'urée avait été isolée en 1773 par le chimiste français Hilaire-Marin Rouelle. Cela signifiait que Wohler venait de synthétiser un composé organique, ce qui réfutait l'un des principes de base du vitalisme. Le travail de Wohler allait ensuite jeter les bases du domaine de la chimie organique.
5 PCR
La réaction en chaîne de la polymérase (PCR) est de loin la réaction la plus compliquée de cette liste, mais potentiellement la plus utile et la plus excitante. La PCR a été inventée en 1983 par Kary Mullis, qui a finalement remporté un prix Nobel pour son travail.
Le processus fonctionne en chauffant l'ADN afin qu'il se sépare en deux brins simples. (L'ADN est double brin.) Ensuite, des amorces peuvent être attachées aux brins d'ADN individuels. Des enzymes appelées ADN polymérases se fixent aux sites d’amorce et répliquent le reste du brin d’ADN. Ce processus peut être répété plusieurs fois, chaque itération doublant théoriquement le nombre exact de copies d'ADN.
La capacité de répliquer l'ADN a ouvert des portes dans de nombreux domaines. Cela permettait aux médecins légistes d'appliquer des techniques génétiques même s'il ne restait qu'une petite quantité de matériel génétique sur les lieux du crime. En médecine, il est utile pour aider à identifier la cause des infections. En recherche, il s’agissait d’une technique essentielle utilisée lors du séquençage du génome humain.
Au-delà de cela, il s'agit maintenant d'une technique omniprésente dans les laboratoires de biologie et de biochimie du monde entier.
4 hydratation des graisses
Avez-vous un pot de Crisco dans votre garde-manger? Cela vous surprendrait-il si je vous disais que Crisco est le résultat d'une des avancées les plus révolutionnaires en matière de technologie alimentaire?
Tout commence par la différence entre les graisses animales et les graisses végétales. Les graisses chez les animaux ont tendance à être saturées, ce qui signifie que tout le carbone dans la graisse est lié au nombre maximal d'atomes. Les graisses dans les plantes ont tendance à être non saturées, ce qui signifie qu'une partie du carbone dans ces graisses n'était pas liée au nombre maximal d'atomes.
En 1902, Wilhelm Normann développa un procédé permettant d'ajouter de l'hydrogène aux graisses non saturées, ce qui les transformerait en graisses saturées ou au moins en graisses plus saturées. En 1909, Procter & Gamble a acquis le brevet de Normann. Deux ans plus tard, ils ont sorti Crisco, une graisse végétale composée principalement d’huile de coton hydrogénée, meilleur marché que le saindoux classique.
Cependant, ce n'était que le début. En 1979, environ 60% de toutes les graisses consommées aux États-Unis avaient été hydrogénées. Mais il y avait un côté sombre à l'hydrogénation. Les acides gras insaturés naturels se trouvent presque exclusivement dans la configuration cis, ce qui provoque une courbure ou une courbure des molécules de graisse et leur empêche de s'emboîter. C'est la raison pour laquelle la plupart des graisses insaturées sont des liquides.
Cependant, lors de l'hydrogénation, certains acides gras insaturés prennent la configuration trans. À partir des années 1990, les recherches ont montré qu'une consommation élevée de gras trans entraînait des effets néfastes sur la santé. Peu de temps après, la FDA a commencé à réglementer la quantité de gras trans dans les aliments et certaines localités ont même interdit ces substances. Cela a conduit au déclin éventuel des graisses hydrogénées.
Destruction de l'ozone 3
La technologie de réfrigération mécanique était d'usage courant depuis au moins les années 1870. Cependant, il y avait un énorme problème qui limitait la technologie à l'époque. La plupart des réfrigérants (substances utilisées pour déplacer la chaleur de l'intérieur des réfrigérateurs vers l'extérieur) étaient soit hautement toxiques, soit facilement inflammables. Malheureusement, il est relativement fréquent que des personnes meurent des suites d’une fuite de réfrigérant.
Pour résoudre ce problème, Frigidaire, Dupont et General Motors ont uni leurs efforts pour trouver un réfrigérant beaucoup plus sûr. Le résultat a été Fréon, un mélange d'une classe de produits chimiques appelés chlorofluorocarbures (CFC). Le fréon était si sûr que son inventeur l'a inhalé directement puis l'a expiré sur une bougie devant l'American Chemical Society.
Cependant, les CFC avaient un problème inconnu à l’époque. Avec autant de réfrigérateurs utilisant des CFC, le produit chimique a rapidement atteint des niveaux significatifs dans l'atmosphère.Lorsqu'ils sont exposés à la lumière ultraviolette dans la haute atmosphère, les CFC dégagent souvent un atome de chlore.
Le chlore est hautement réactif et catalyse la décomposition de l'ozone (O3) en oxygène moléculaire (O2). Comme les catalyseurs ne font qu’accélérer la vitesse d’une réaction et ne sont pas consommés dans la réaction, une molécule de CFC pourrait entraîner la destruction de milliers voire de millions de molécules d’ozone, entraînant un appauvrissement à grande échelle de la couche d’ozone.
Aujourd'hui, les CFC sont hautement réglementés par le Protocole de Montréal et ne sont plus utilisés comme réfrigérants. Ils ont été remplacés par une classe similaire de composés appelés hydrofluorocarbures (HFC). Bien que les HFC présentent également des inconvénients (ils sont un très puissant gaz à effet de serre), il n’ya pas eu de réfrigérants nouvellement développés qui soient à la fois non toxiques et ininflammables.
2 eau avec dioxyde de carbone
Le dioxyde de carbone est peut-être mieux connu pour son rôle de gaz à effet de serre. Lorsque les niveaux de dioxyde de carbone dans l'atmosphère ont augmenté, les températures mondiales moyennes ont également augmenté. Cependant, le dioxyde de carbone a un autre côté obscur et se produit tous les jours lorsque nous buvons un soda.
Le dioxyde de carbone réagit de manière réversible avec l'eau pour former de l'acide carbonique. Une partie de cet acide carbonique se décompose ensuite en bicarbonates puis en ions carbonates en libérant du H + (le relargage du H + est la caractéristique déterminante des acides appelés acides de Bronsted-Lowry). Cet acide fait partie de la sensation aiguë d'un soda frais.
Cependant, le dioxyde de carbone dans l'atmosphère peut réagir de la même manière avec l'eau de l'océan. En fait, l'océan absorbe environ le quart du dioxyde de carbone rejeté chaque année.
En conséquence, le pH des eaux de surface des océans a diminué d’environ 0,1 unité depuis le début de la révolution industrielle, ce qui représente une augmentation de l’acidité de près de 30%. Bien que cette augmentation de l'acidité profite à certains organismes comme les algues et les herbiers, elle est nuisible à de nombreux organismes tels que les huîtres, les palourdes, les crustacés et les coraux.
Un rapport de l'ONU a estimé que l'acidification des océans pourrait coûter jusqu'à 1 billion de dollars d'ici 2100.
1 saponification
Il est de notoriété publique que l'huile et l'eau ne se mélangent pas. La raison en est liée à un concept appelé polarité. En termes simples, les molécules d'eau sont polaires et les molécules d'huile ne le sont pas. Comme les molécules d'eau sont polaires, il est plus avantageux qu'elles soient côte à côte plutôt que près d'une molécule d'huile non polaire. Cependant, comme le sait tout cuisinier, cela peut poser un problème pour le nettoyage de la vaisselle. La graisse ne se mélange pas à l'eau et reste sur le plat.
La réponse est du savon. Les molécules de savon ont des parties polaires et non polaires. La partie polaire se mélange à l'eau tandis que la partie non polaire se mélange à l'huile, ce qui permet à l'huile de former de petites gouttelettes dans l'eau qui sont plus facilement éliminées.
La réaction utilisée pour créer du savon est la réaction de saponification. À l'origine, le savon était fabriqué en chauffant du sel, des cendres et des graisses animales dans de l'eau. Les premiers savons connus ont été fabriqués selon ce procédé à Babylone en 2800 av. Aujourd'hui, le savon est fabriqué en faisant réagir de l'hydroxyde de sodium ou de l'hydroxyde de potassium avec des acides gras (dérivés de molécules de graisse).
Cependant, à des fins autres que l'hygiène personnelle, les savons ont été largement remplacés par des détergents. Ces agents de nettoyage ressemblent aux savons mais sont généralement dérivés de produits pétrochimiques et présentent plusieurs avantages par rapport aux savons. Ils ont tendance à durer plus longtemps sans se décomposer. Ils ont également tendance à être plus solubles dans l’eau froide ou l’eau dure (eau qui contient une teneur relativement élevée en calcium), ce qui signifie que nous ne sommes pas aussi susceptibles de voir cette écume de savon méchante.