La magie alchimique de la chimie …
Partons d'une réaction simple :
"En chauffant un mélange de méthane et d'oxygène, après un certain temps, on obtient en mélange chaud de gaz carbonique et de vapeur d'eau."
Jusque là, tout va bien et tout est strictement descriptif et qualitatif.
Que signifie les mots "méthane", "oxygène", "gaz carbonique" et "vapeur d'eau" ?
Ce sont des molécules différentes, c'est-à-dire des granules stables de matières différentes que l'on peut trouver dans la Nature.
En quoi sont-elles différentes les unes des autres ?
Elles sont des conglomérats d'atomes différents.
Qu'est-ce qu'un atome ?
Un conglomérat de protéus qui sont les seules particules complexes de matière qui soient stables (il existe une autre particule matérielle stable, mais vraiment élémentaire, n'interagissant avec presque rien et appelée neutrino).
Qu'est-ce qu'un protéus ?
C'est le plus petit grain de matière stable qui se présente sous plusieurs formes (d'où son nom en référence au dieu Protée qui était protéiforme). Le première forme est monopolaire et neutronique (le neutron). Les autres formes sont bipolaires et désignent les différents états énergétiques (on dit "d'excitation") de l'hydrogène dont les deux pôles ont été appelés "proton" (le pôle massif et de charge électrique positive) et "électron" (le pôle léger et de charge électrique négative). Cet hydrogène bipolaire se présente comme un noyau protonique central entouré d'une pellicule périphérique électronique de diverses formes selon l'état énergétique.
Comment les protéus forment-ils des atomes ?
Ils fusionnent ensemble (mais cette fusion n'est pas un assemblage mécanique : les atomes formés sont des entités à part entière, irréductible aux protéus qui entrent dans leur compositions). A l'image du protéus lui-même, un atome se présente comme un gros noyau de nature protonique et neutronique formant une nouvelle entité, unitaire à part entière, entouré de multiples nuages électroniques de formes très diverses (une sorte d'oignon, en quelque sorte).
Et les molécules, dans tout cela ?
Les molécules non plus ne sont pas des "assemblages mécaniques" comme le serait un moteur de voiture fait de pièces bien discernables et identifiables.
Une molécule est un conglomérat d'atomes mais construit sur un autre modèle que l'atome en tant que conglomérat de protéus. Dans une molécule, les noyaux atomiques restent distincts (la molécules est donc, elle aussi, multipolaire) ; ce sont les nuages électroniques périphériques qui se réorganisent pour conférer une forme globale, en de multiples couches, à l'ensemble. (par parenthèse, il en va de même dans un cristal où les pôles nucléaires se répartissent dans l'espace selon des réseaux géométriques rigoureux, et où les couches électroniques se répartissent optimalement et harmonieusement au sein de ces réseaux).
Mais revenons à nos molécules : qu'est-ce qu'une molécule de méthane, par exemple ?
Cette molécule de méthane est un conglomérat multipolaire de cinq conglomérats atomiques monopolaires dont quatre d'hydrogène (un seul protéus bipolaire) et d'un seul de carbone (un conglomérat monopolaire six fois protonique et six fois - en moyenne - neutronique).
La molécule d'oxygène, pour donner un autre exemple, est le conglomérat multipolaire de deux atomes identiques d'oxygène qui, chacun, sont un conglomérat monopolaire huit fois protonique et - en moyenne - huit fois neutronique.
En somme, et pour résumer : un atome est un conglomérat monopolaire de protéus alors qu'une molécule est un conglomérat multipolaire d'atomes.
Tout ça n'est-il pas un peu compliqué ?
Les chimistes ont inventé un langage simple pour symboliser les molécules. Ainsi la molécule de méthane s'écrit CH4 et la molécule d'oxygène O2, etc …
Bon, revenons à notre réaction initiale de combustion du méthane pour donner du gaz carbonique et de la vapeur d'eau : pourrait-on, pour simplifier, l'écrire sous la forme :
CH4 + O2 = CO2 + H2O ?
Cette expression serait facile à comprendre si elle n'oubliait quantité d'informations et de règles essentielles …
Lesquelles ?
D'abord, il ne s'agit pas d'une addition mais d'une réaction chimique qui implique la transformation radicale des molécules qui réagissent en amont, à gauche, en les molécules qui sont produites en aval, à droite. Le signe + me gène ; je préfèrerais un autre symbole comme * par exemple ou autre chose, mais pas un signe arithmétique. En revanche, le signe + ne me gène nullement à droite car il s'agit du simple mélange additif de deux gaz qui ne réagissent pas entre eux.
De plus, à raison, les chimistes n'utilisent jamais le signe = , et lui préfère le signe à qui signifie "donne" ou "se transforme en". Il ne s'agit jamais d'une addition, répétons-le, mais d'une transformation.
Bon, soit, écrivons alors : CH4 * O2 à CO2 + H2O . C'est bon comme ça ?
Non. Si l'on regarde bien cette "équation", on a perdu des atomes en cours de route : à gauche, il y a un C, quatre H et deux O, alors qu'à droite, il y a un C, deux H et trois O. Il faut rééquilibrer tout cela à l'aide de coefficients dits stœchiométriques. Ce donne ceci :
CH4 * 2O2 à CO2 + 2H2O .
Cet équilibrage dit simplement ceci : pour que la réaction soit complète (c'est-à-dire qu'il ne reste aucune molécule de méthane et/ou d'oxygène dans le réacteur après le réaction), il faut respecter des proportions qui sont celles données par les coefficients stœchiométriques.
C'est tout ?
Non. Nous avons oublié de spécifier qu'il s'agit d'une combustion de deux gaz qui produit deux autres gaz chauds. Il faut donc parler, aussi, d'énergie.
Pour que la réaction puisse s'enclencher, il faut augmenter la probabilité que les molécules de départ se rencontrent, se heurtent et fusionnent. Pour cela, il faut augmenter leurs vitesses donc leurs énergies cinétiques soit en les comprimant (pression mécanique), soit en les chauffant sur une flamme par exemple (convection calorique), soit en les excitant avec une puissante lumière (irradiation).
Par ailleurs, les gaz résultants ne sont pas froids ; chacune de leur molécules possède une très grande vitesse ce qui implique une haute température globale à la fin de la combustion (comme les gaz d'échappement d'une voiture à la sortie du cylindre).
Il faudrait sans doute écrire quelque chose comme :
CH4 * 2O2 + e à [CO2 + 2H2O]T
Ce qui se lirait : "moyennant l'apport d'une quantité d'énergie externe valant e, une molécule de méthane réagira avec deux molécules d'oxygène pour donner un mélange, à une température T, d'une molécule de gaz carbonique et de deux molécules de vapeur d'eau".
Là, on serait quantitativement complet.
Quantitativement seulement ?
Oui, car cette belle équation chimique ne dit rien des propriétés qualitatives des molécules qui y interviennent.
Un exemple : le sel de cuisine est une molécule symbolisée par NaCl (le chlorure de sodium). Cette molécule résulte de la réaction entre deux molécules de sodium (Na) qui est un métal mou et mat, terriblement explosif au contact de l'eau, et d'une molécule de chlore (Cl2) qui est tellement biocide qu'on l'utilise partout comme détergent puissant.
Heureusement que les propriétés du sel de cuisine ne cumulent pas celles du sodium et du chlore sinon, chaque fois que l'on salerait son potage, celui-ci exploserait dans l'estomac avant de le ronger !
On dit, dans ce cas, que les propriétés du produit final (le sel) sont des propriétés émergentes étrangères aux propriétés initiales des réactifs (sodium et chlore).
Et alors ?
Alors, cela signifie que les équations quantitatives, même complètes, ne permettent jamais de prédire quelles seront les propriétés qualitatives du résultat obtenu. La quantitatif ne suffit donc pas pour rendre compte de la totalité de la réalité du Réel.
C'est là toute la grande leçon de la physique des processus et des systèmes complexes. Rien, dans ce domaine (ni ailleurs dans la réalité du Réel) n'est un simple assemblage mécanique et quantitatif de "pièces détachées" ou de "briques élémentaires".
Tout ce qui existe est conglomérat de conglomérats ; et à chaque niveau d'agglomération, surgissent des propriétés émergentes qualitatives et imprédictibles.
C'est cela la magie alchimique de la chimie.
C'est cela la magie complexe du Réel.
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