Ï PHYSIQUE MOLÉCULAIRE ET CHIMIE PHYSIQUE

Les recherches d'optique et d'électricité, dont nous venons de parler, offrent un exemple de la première tendance précédemment signalée, où le physicien cherche une explication mécanique des phénomènes qu’il étudie. Dans les remarques que nous avons présentées plus haut, on à vu que toute une partie de la science de notre époque s'oriente dans une autre direction; comprenant dans un autre sens le mot explication, on se propose seulement de rechercher des relations numériques générales entre les grandeurs dont, au moins pour le moment, on ne discute pas la nature.

Nous avons déjà parlé de l’énergétique, et nous ‘aurons à revenir bientôt sur ses applications à la chimie et à la physico-chimie, dont beaucoup rentrent dans la seconde tendance. Mais, en fait, il est rare que celle-ci puisse se développer dans toute sa pureté; chemin faisant, les hypothèses cinétiques, atomiques ou autres s’introduisent presque nécessairement et sont fécondes pour la découverte,

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176 LA SCIENCE MODERNE ET SON ÉTAT ACTUEL Arrêtons-nous d’abord sur cette partie de la physique de la malière et de la chimie physique où les hypothèses cinétiques et atomiques ont permis d’édifier de vastes théories. Des travaux importants relatifs à la physique moléculaire ont suggéré des vues générales. On a considéré pendant longtemps les états d’agrégalion principaux de la matière comme des états bien distincts; les états solide, liquide, gazeux étaient regardés comme possédant des propriétés caractéristiques, qui ne laissaient aucune incertitude sur leur distinction en trois états. Depuis les premières recherches de Faraday sur la liquéfaction des gaz, les relations entre l'état gazeux et l’état liquide ont été mises en lumière par de nombreuses recherches. La découverte du point critique pour un gaz a été capitale. Des études théoriques et expérimentales ont été consacrées à la recherche de la relation, devant pour chaque gaz être substituée à la loi de Mariotte, entre le volume spécifique, la pression et la température ; les travaux théoriques de M. van der Wals sur ce sujet resteront célèbres, ainsi que sa loi des élats correspondants, d’après laquelle cette relation est la même pour tous les corps, quand on rapporte la pression, le volume et la température à leurs valeurs au point critique. À la vérité, les expériences de M. Amagat et de M. Mathias ont montré que la loi précédente n'avait pas toute la généralité d'abord admise, mais elle conserve toute sa valeur,

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quand on range les corps en différents groupes, et elle reste ainsi un fécond instrument de classement. Les recherches sur la statique des fluides à basse température et sur la continuité de la matière à l’état liquide et à l’état gazeux ont joué un rôle important dans la question de la liquéfaction des gaz. Il suffira de rappeler que, depuis 1878, M. Cailletet et ensuite MM. Pictet, Wrobleski, Olzewski, liquéfièrent l'air, l'azote, l’oxygène. En 1898, la machine de M. Linde a fait de la liquéfaciion de l’air à 190 degrés au-dessous de zéro une opération industrielle, et M. Claude a récemment construit des machines fondées sur un principe un peu différent, en ce sens qu'il effectue la détente de Flair avec travail extérieur, tandis que le physicien allemand effectue la détente sans travail extérieur. L'hydrogène lui-même vient enfin d’être liquéfié par M. Dewar. L'hélium seul n’a pu être liquéfé, c'est le plus permanent de tous les gaz connus, et le gaz idéal de la thermométrie pour la mesure des basses températures. Le thermomètre à hélium a été utilisé avec succès jusqu’à cinq degrés du zéro absolu, la plus basse température atteinte jusqu'ici.

Des expériences nombreuses ont été faites sur les déformations permanentes des solides; entre autres conclusions, la déformation permanente d’un solide parait constituée par des glissements qui se produisent, d’après le commandant Hartmann, dans

des plans faisant avec la direction de la traction un angle fixe. Les solides possèdent des propriétés longtemps regardées comme Caractéristiques de l'état liquide : ils s'écoulent et ils peuvent se diffuser les uns dans les autres de manière à donner des solutions solides. Ces analogies, dont on pourrait allonger la liste, entre les liquides et les solides conduisent à penser que, de même qu'il y a continuité entre l’état liquide et l'état gazeux, il doit y avoir une continuité analogue entre l’état solide et l’état liquide. La question est très délicate. Certains corps, comme le verre, sont susceptioles de fusion pâteuse, et il y a alors un passage continu de l'état solide à l’état liquide. D’autre part, quand un corps est cristallisé, on ne peut a priori affimer qu’il n’est pas possible de passer, d’une manière continue, de l’état solide à l’état liquide sans éviter la discontinuité de la fusion; car, si étrange qué cela paraisse, on connaît aujourd’hui des liquides biréfringents, c'est-à-dire cristallisés. Il semble cependant, d'après les vues développées par M. Le Châtelier et les expériences de M. Tamman, que le passage continu n’est pas possible de l’état solide à l’état liquide quand un seul de ces états est cristallin, l'autre étant amorphe. Il y aurait donc une différence très grande entre les passages de l'état solide à l’état liquide, et de l’état liquide à l’état gazeux. De tels problèmes sont d’un intérêt considérable, touchant à l'essence même de la mat'ère, et les physiciens

cristallographes s'engagent aujourd’hui avec ardeur dans ces recherches.

Dans la physique moléculaire, la théorie cinétique de la matière a donné lieu à de grands développements. Après avoir eu, avec Clausius et Maxwell, une grande vogue, elle a paru quelque temps frappée de discrédit. Qn ne voit pas actuellement ce qui pourrait remplacer les hypothèses cinéliques et rendre compte, pour prendre un exemple, d'un phénomène comme la diffusion. Pour les gaz, la théorie cinétique explique divers faits importants, elle a même conduit à prévoir que le frottement intérieur est indépendant de la pression. Des calculs audacieux, s’appuyant sur diverses expériences, ont permis d'obtenir la vitesse moyenne

des molécules à une température donnée : ainsi les molécules d'hydrogène ont, à zéro degré, une vitesse moyenne de 1840 mètres. Les théories cinétiques de la matière reprennent faveur aujourd’hui; elles n’ont pas été moins fécondes dans l'étude des liquides que dans celle des gaz.

La distinction entre la physique et la chimie a été longtemps absolue; les questions traitées n’ayaient rien de commun et les points de vue y étaient entièrement différents. Peu à peu les sphères de contact ont apparu. La loi de Dulong et Petit sur les chaleurs spécifiques, d’après laquelle les atomes de tous les corps simples ont la même capacité calorifique; la loi de Faraday, énonçant que l’action

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chimique d’un courant électrique est la même sur la molécule d'un sel quelconque, peuvent être citées, entre bien d’autres, comme les conclusions d’études à la fois physiques et chimiques. Depuis vingt ans, on parle couramment de chimie phy- .sique, et une science, en quelque sorte nouvelle, s’est constituée : toutes les grandes universités possèdent aujourd’hui des chaires de chimie physique. Celle-ci n’a pas tardé à voir se développer dans son sein des points de vue assez différents. Les uns la regardent particulièrement comme une application à la chimie des lois générales de l’énergétique, en réduisant au minimum les hypothèses explicatives; d’autres, au contraire, plus aventureux n’ont pas craint d’édifier, en outre, des théories audacieuses, dont la discussion quelquefois passionnée donne actuellement à cette partie des sciences physiques une vie extrêmement intense.

Une partie importante de la chimie physique est dominée par les hypothèses moléculaires et atomiques, qui sont à la base de la chimie moderne. . L'étude de l'abaissement du point de congélation des dissolutions a conduit Raoult aux lois célèbres qui portent son nom, et les mesures cryoscopiques sont maintenant usuelles en chimie. Chacun sait qu’un liquide contenant en dissolution des matières : étrangères se congèle à une température plus basse que quand il est pur : l'étude des phénomènes de ce genre coustitue la cryoscopie. Un résultat fonda-

mental est que, pour un même liquide, l’abaissement du point de congélation ne dépend que du nombre, et nullement de la nature des molécules dissoutes. Il y a, toutefois, des exceptions à cette loi; si elle est exacte pour les dissolutions des corps organiques dans l’eau, elle cesse de l’être pour les sels minéraux. D’une manière générale, elle ne s’applique pas aux solutions électrolytiques, c’est-à-dire qui laissent passer l'électricité; mais, pour les physico-chimistes, l’exception, suivant le vieil adage, a confirmé la règle. Il y a, suivant eux, pour les molécules dissoutes une dissociation plus ou moins complète et, en particulier, pour les solutions très étendues, la loi reparait dans toute sa simplicité à condition de donner au mot de molécule un sens. convenable; nous reviendrons bientôt sur cette idée en parlant de l'hypothèse des 1ons qui joue un rôle si important dans la chimie physique. Le nom de Raoult restera aussi attaché à la fonométrie, c'est-àdire l’étude des vapeurs émises par les solutions. La. présence d’une matière dissoute élève le point d’ébullition de la solution et diminue la tension de vapeur du dissolvant. Ici encore le nombre seul des molécules, et non leur nature, intervient. Le dissok vant restant le même en quantité et qualité, la diminution de la tension de vapeur est proportionnelle au nombre des molécules dissoutes : telle est la loi des concentrations moléculaires de Raoult.

Toutes ces études sont liées étroitement à la ques- ARR

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tion de la pression osmotique dans les dissolutions. L’attention avait été appelée jadis, par Dutrochet, sur l'importance des phénomènes d’osmose dans la vie végétale, mais c’est par les travaux de M. Pfeffer que ces notions, d’abord un peu vagues, se précisèrent, cela surtout grâce à l’artifice de la membrane semi-perméable donnant libre passage à l’eau et arrélant les corps en dissolution. La pression osmotique est, en quelque sorte, la part de pression dans la dissolution due aux molécules dissoutés ; il est facile de la définir, aveë précision, d’une manière purement expérimentale. La loi fondamentale de l'osmose est que, sauf certaines exceptions, toute molécule, quelle que soit sa nature, exerce en dissolution la même pression osmotique ; celle-ci est donc proportionnelle au nombre des molécules réparties dans un volume donné. Nous retrouvons les mêmes propriétés moléculaires, et des études plus complètes, tant théoriques qu'expérimentales, ont montré les liens étroits entre les phénomènes osmotiques, la cryoscopie et la tonométrie. Dans ces recherches, les principes fondamentaux de l’énergétique sont constamment appliqués ; reconnaissons que, avec les raisonnements actuellement employés, il est nécessaire de faire usage de certains postulats plus ou moins avoués, en particulier l'existence de parois semi-perméables laissant passer tels corps, mais imperméables pour tel autre. Mais la jeune école de physico-chimie a la foi qui trans-

porte les montagnes, et bien des découvertes ont justifié ses audaces. L’assimilation faite par M. van T. Hoff entre la pression osmotique dans les solutions et la pression dans les gaz, qui le conduisit à étendre aux solutions l'équation caractéristique des gaz, a été très féconde. Merveilleuses aussi sont, dans leur simplicité, ces formes de démonstrations où intervient le principe de Carnot, comme pour Ve gaz, et, avec lesquelles, par exemple, on établit a priori la nécessité de l’abaissement de la tension de vapeur émanée d’une solution. Quoi qu'il puisse advenir de certaines interprétations, des faits d’une importance capitale ont été mis en évidence. Ils intéressent la chimie comme la physique, car la théorie des pressions osmotiques revient, en somme, au problème des équilibres chimiques; ils intéressent aussi les sciences de Ia vie, car losmose intervient dans les rapports de la cellule vivante avec le milieu ambiant. Depuis vingt ans, le rôle

biologique de la force osmotique a été mis en évi=

dence ; il faut citer au moins à ce sujet les belles recherches de M. de Vries, en physiologie botanique, sur la turgescence des cellules et les” coefficients d’isotonie.

Nous avons vu que, dans certains cas, les lois de Raoult cessent d’être exactes, et il en est de même pour celles qui concernent les pressions osmotiques. Ainsi, pour la majorité des sels dissous dans l’eau, les pressions sont plus fortes qu’il ne faudrait : elles

ne correspondent pas au nombre des molécules qui paraissent exister dans la solution, mais à un nombre plus grand. Ainsi une solution très étendue de sel marin se comporte, par rapport à la loi de Raoult, comme si elle renfermait un nombre de molécules de chlorure de sodium double de celui qu’elle contient. M. Arrhenius émit l’idée hardie qu’il y avait là un phénomène de dissociation, et qu’en général dans les solutions de sels, d’acides ou de bases dans l’eau il y a des molécules dissociées en grand nombre, celui-ci étant d'autant plus grand que la solution est plus étendue : c’est la dissociation électrolytique, et on donne le nom de ions aux éléments électrolytiques. De plus, en vue d’expliquer l’action des courants sur les solutions, on suppose que les ions portent une charge électrique ; ainsi les ons chlore et les ions sodium dans une dissolution de sel marin sont chargés respectivement d'électricité négative et d'électricité positive. Ces vues, au premier abord étranges, sont loin d’être admises par tous les chimistes, quelques-uns étant gênés de voir que l'ion positif hydrogène et l'ion négatif hydrogène possèdent des propriétés si différentes de celles que nous connaissons à l'hydrogène et au chlore. Diverses expériences semblent cependant bien montrer la réalité d’un double mouvement matériel pendant le passage d’un courant dans une solution, et il ne semble pas qu'aucun fait précis leur ait été opposé. Les nouvelles