Gilbert Lewis était connu pour sa théorie du partage d’électrons dans la liaison chimique et pour sa théorie des acides et des bases. Lewis développa la physique théorique par l’étude de la thermodynamique appliquée à l’équilibre chimique. Il a expliqué plusieurs aspects de la valence des éléments chimiques à l’aide des théories électroniques. En 1904, il proposa la règle d’octet qui décrit la tendance des atomes des éléments représentatifs à s’entourer par huit (8) électrons de valence. En 1916, il identifia la liaison covalente comme un partage d’électrons entre deux atomes, idée développée aussi par le physico-chimiste américain Irving Langmuir. En 1923, il proposa une théorie électronique des acides et des bases, selon laquelle les acides et les bases sont respectivement accepteur et donneur d’une paire d’électrons. […] C’est lui qui, en 1926, proposa le terme « photon » pour le quantum d’énergie rayonnante introduit par Einstein en 1905. […]
La structure de Lewis consiste à définir la localisation des électrons sur ou entre les atomes de la molécule. Seuls les électrons de valence sont considérés. On obtient ainsi une certaine vision de la structure électronique de la molécule par ses doublets libres, ses doublets liants (liaisons σ et π), ses lacunes et ses éventuels électrons célibataires (dans le cas des radicaux). Dans cette représentation, les électrons célibataires sont notés par des points et les paires d’électrons par des traits (plus rarement par deux points). Les traits peuvent être localisés sur un atome (doublet libre ou non liant) ou entre les atomes (doublet liant, liaison covalente).
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Pour introduire le modèle de Lewis : une activité d’investigation avec exploitation de documents.
Un pacemaker cardiaque à énergie atomique (radioisotope-powered)développé par la Commission de l’énergie atomique des États-Unis (1967).
La technologie de la batterie nucléaire remonte à 1913, lorsque Henry Moseley expérimente le générateur bêtavoltaïque. Ce nouveau domaine suscite rapidement de l’intérêt pour les applications nécessitant des sources d’énergie longue durée. Ce sera notamment le cas pour les besoins spatiaux au cours des années 1950 et 1960. En 1954, RCA étudie une petite batterie atomique pour les petits récepteurs radio et les prothèses auditives. Depuis la recherche initiale et le développement de RCA au début des années 1950, de nombreux types de production et stockage d’électricité à partir de radionucléïdes. Les fondements et principes scientifiques sont bien connus, mais la technologie d’industrialisation à échelle nanométrique requise par les besoins modernes sont encore en développement. On aimerait pouvoir ainsi alimenter des stimulateurs cardiaques, cœurs artificiels, et d’autres objets nécessitant une alimentation fiable, durable et propre.
Henry Moseley (1887 – 1915)
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Un petite approche du bêtavoltaïque : comment les radionucléides bêta-, par exemple le 14C, peuvent permettre de fabriquer des générateurs électriques…
Crédits : Encyclopædia Universalis France. Principe d’un réacteur de fusion deutérium-tritium.
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Le mercredi 12 février 2025, à Cadarache, le tokamak WEST du CEA vient de battre le record de stabilité d’un plasma à 50 millions de degrés Celsius qui a perduré pendant 1 337 secondes. Alors où en est le projet civil international de fusion thermonucléaire ?
Petite collection documentaire pouvant donner lieu à une activité de synthèse.
Cuisiner suppose souvent de mélanger l’eau et le gras : en effet l’eau est le vecteur du sel, du sucre, des acides alors que le lipides permettent de dissoudre et transporter les molécules aromatiques.Mais l’eau et les lipides ne se mélangent pas…
Émulsion : cela signifie que ces sauces sont constituées d’une myriade de gouttelettes dispersées dans la phase aqueuse, dans l’eau apportée par le jaune d’œuf et par le vinaigre. Le mot « émulsion » fut introduit en 1560 par Ambroise Paré, chirurgien de plusieurs rois de France, et le mot vient de emulgere, qui en latin signifie traire. De fait, on trait les vaches pour obtenir du lait, lequel est une émulsion, composé de gouttelettes de matières grasses dispersées dans l’eau : le lait effectivement est un cousin physico-chimique de la sauce mayonnaise. Ou, plus exactement, la sauce mayonnaise et une cousine artificielle (ce qui signifie : un produit de l’art) du lait. D’autre part les gourmands connaissent et apprécient les sauces hollandaises et béarnaises : ces deux sauces sont des cousines physico-chimiques, qui ne diffèrent l’une de l’autre que par l’emploi d’estragon dans la béarnaise, pour simplifier. En principe, on les produit en chauffant du jaune d’œuf avec de la matière grasse, et il y a plusieurs procédures possibles, mais, dans tous les cas, l’œuf coagule, ses protéines faisant de microscopiques agrégats qui donnent de la consistance à la sauce. Cette fois, le système physico-chimique n’est plus l’émulsion, mais la « suspension émulsionnée » : « suspension », parce qu’il y a des agrégats microscopiques solides en suspension dans le liquide ; « émulsionnée », parce qu’il y a effectivement de la matière grasse, le beurre fondu, qui a été divisée en gouttelettes, dispersées également dans la phase aqueuse. Faisons maintenant la synthèse : dans les sauces hollandaises comme dans les sauces mayonnaise, il y a la matière grasse, mais cette matière grasse n’est pas la même. Dans la mayonnaise, c’est de l’huile, mais dans la béarnaise, c’est du beurre fondu. Le beurre fondu ? Quel délice !
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Comment mélanger l’eau et le gras ? Un approche chimique de la cuisine.
Berthe Bussard et Hélène Dubois. Leçons élémentaires de chimie à l’usage de l’enseignement secondaire des jeunes filles (3e année). Belin frères, 1897.
CHAPITRE PREMIER L’EAU1. Les trois états de l’eau.
Nous connaissons l’eau sous les trois états : liquide, solide, gazeux.
À l’état solide, l’eau constitue la glace et la neige. Vue à la loupe, la neige présente des formes régulières (fig. 1) ; ce sont des figures géométriques à six côtés, simples ou portant six branches régulièrement distribuées. On donne à ces formes régulières le nom de cristaux. […]
Fig. 1. — Diverses formes des cristaux de neige et de glace.
À l’état gazeux, l’eau existe dans l’atmosphère. La vapeur d’eau est invisible. Quand elle se condense en fines gouttelettes, elle forme le brouillard. Si on apporte dans un appartement du corps froid, on voit se produire à sa surface une buée provenant de la condensation de la vapeur dans l’atmosphère.
2. Corps dissous dans l’eau.
I. SOLIDES
Cette vapeur, condensée par refroidissement, constitue les nuages, retombe sous forme de pluie et dissout au contact du sol les éléments qui le composent, les calcaires, par exemple ; dans certains cas, les substances dissoutes la font employer en médecine (eau de Vichy). Beaucoup d’autres corps, tels que le sel marin, le sucre, le salpêtre, peuvent aussi se dissoudre dans l’eau. Mais la quantité d’un même corps qui se dissout dans un même poids d’eau varie avec la température. […] Si l’on fait évaporer l’eau, le corps dissous se dépose, et généralement il cristallise.
II. GAZ
De même que l’eau dissout des corps solides, elle dissout aussi des gaz. On peut les extraire par l’expérience suivante (fig. 4). On prend un ballon plein d’eau ; on y adapte un tube de verre recourbé (tube abducteur) également rempli d’eau ; l’autre extrémité du tube aboutit à une cloche longue et étroite (éprouvette), pleine d’eau, retournée sur la cuve à eau, et soutenue par un têt à gaz […].
1789 Dans son Traité élémentaire de chimie, A. Lavoisier (1743-1794) décrit la « fermentation vineuse » comme une division du sucre en deux portions (alcool et acide carbonique), division réalisée par un « ferment ».
1833 A. Payen (1795-1871) et J.-F. Persoz (1805-1868) isolent de grains d’orge germés la « diastase », une substance protéique capable d’hydrolyser l’amidon in vitro.
1837-1838 Charles Cagniard de la Tour (1777-1859), en France, Theodor Schwann (1810-1882), en Allemagne, proposent que les levures (champignons unicellulaires) trouvées dans les fermentations soient responsables de la décomposition des sucres.
1840 Le chimiste suédois Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) avance l’idée que la « diastase » comme le « ferment alcoolique » sont des catalyseurs biologiques.
1850 Le chimiste allemand Justus von Liebig (1803-1873) considère que les fermentations sont des processus autocatalytiques de décomposition des matières organiques. Tout ferment serait une matière organique en décomposition ou en putréfaction.
1857 Louis Pasteur (1822-1895) établit que la fermentation alcoolique est due à l’activité métabolique de la levure de bière.
1858 Pasteur étudie la fermentation lactique des sucres du lait par les bactéries lactiques.
1860 Pasteur formule sa théorie générale des fermentations : toute fermentation d’une solution de sucre ou de matière organique résulte de l’activité métabolique d’un micro-organisme spécifique, et s’accompagne de la formation de produits caractéristiques (alcools, acides, cétones et gaz carbonique).
1862 Pasteur établit que la production du vinaigre (acide acétique), dans les usines d’Orléans, est due à un microbe fermentant l’alcool du vin en acide acétique.
1878 F. W. Kühne (1837-1900) donne le nom d’« enzymes » aux catalyseurs biologiques primitivement appelés diastases ou ferments.
1897 Eduard Büchner (1860-1917), en Allemagne, Marcellin Berthelot (1827-1907), en France, obtiennent, à partir d’un jus de levure, une substance – qu’ils appellent respectivement « zymase » et « ferment soluble » – capable de produire in vitro la fermentation alcoolique des solutions sucrées. Cette découverte est exploitée contre la théorie des fermentations de Pasteur.
1900 Berthelot clôt la polémique en faisant ressortir que la zymase est un complexe enzymatique synthétisé par les levures vivantes.
1905 Arthur Harden (1865-1940) et William Young démontrent que la fermentation alcoolique ne peut se dérouler in vitro que si du phosphate est présent dans le milieu, comme si une activation moléculaire était nécessaire. Ils isolent un premier intermédiaire phosphorylé : le fructose-1,6-diphosphate.
1933 Gustave Embden (1874-1939) et Otto Meyerhof (1884-1951) montrent que plusieurs réactions sont communes aux fermentations lactique du muscle et alcoolique du jus de raisin.
La fermentation à travers l’histoire. La fermentation est probablement la plus ancienne des biotechnologies. A l’origine, l’humain l’a utilisée pour se nourrir. Mais aujourd’hui, ses champs d’application sont beaucoup plus vastes.
Petit rappel historique. Du néolithique à nos jours : conservation et transformation.
Ce sont les Sumériens qui, il y a environ 8000 ans, ont été les premiers à utiliser la fermentation de manière régulière. Ensuite, au fil des siècles, l’humain a appris à maîtriser la fermentation, souvent de manière empirique, pour conserver les aliments, fabriquer du fromage ou encore transformer les viandes, les fruits et les légumes. Cette technique est toujours très répandue : au début des années 2000, on comptait à travers le monde plus de 5000 aliments fabriqués grâce à la fermentation : boissons avec ou sans alcool (kombucha, kimchi, bière, vin), produits laitiers (kéfir, yaourts), spécialités à base de viande (comme le saucisson), choucroute, vinaigre, etc. Elle est aujourd’hui bien ancrée dans notre quotidien et l’on semble même en redécouvrir ses vertus. […]
Les ferments, les déclencheurs de la fermentation.
Les micro-organismes évoqués à l’instant sont aussi connus sous le nom de ferments. Ils sont de 3 sortes :
Les bactéries : pour fermenter, certaines ont besoin d’oxygène alors que d’autres ne le supportent pas. Les plus connues sont les bactéries lactiques comme les lactobacilles (Lactobacillus) que l’on retrouve dans la charcuterie, les fromages ou les légumes lacto-fermentés. Parmi les bactéries, on utilise aussi de plus en plus des microalgues appelées cyanobactéries, en particulier pour la production de biocarburants.
Les levures : elles peuvent se développer avec ou sans oxygène et servent le plus souvent à la panification ou à la fermentation alcoolique.
Les moisissures : ce sont des champignons qui ont besoin d’oxygène et trouvent leur origine dans le sol. Elles sont faciles à cultiver et servent bien sûr à affiner certains fromages comme le Roquefort mais aussi à la fabrication d’antibiotiques. Les moisissures sont aussi utilisées en biotechnologie pour produire des arômes alimentaires.
Les ferments ont tous besoin d’eau et de températures pouvant aller de 4°C à 75°C pour se développer. Ils ont des propriétés qui leurs sont propres et qui conduiront à des types de fermentations différents.
Molécules ou ensemble de molécules capables de neutraliser des radicaux libres ayant ainsi un rôle de défense au sein de la membranes ou de la cellule.
– des enzymes : glutathion peroxidase, superoxyde dismutase.
Les antioxydants coopèrent souvent ensemble dans la cellule : ainsi la vitamine C régénère la vitamine E, la glutathion peroxidase ne peut agir sans la vitamine E et le sélénium…
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Une approche élémentaire, dans le domaine de la biochimie, des notions de radicaux libres et antioxydants.
[…] Au cours du XXe siècle, la conception courante de la mesure a progressivement changé. On considérait classiquement qu’une grandeur avait une valeur vraie, nombre réel cohérent avec une théorie connue ou à découvrir, tandis que les résultats d’un mesurage étaient entachés d’une erreur, avec deux composantes. L’erreur systématique serait celle que produit la procédure elle-même et qu’on ne sait pas corriger (par exemple, étalonnage imparfait ou défaut de linéarité de l’instrument). On suppose que l’erreur aléatoire se répartit suivant une loi normale. Cette conception a été abandonnée, au profit de la notion, plus statistique, de l’incertitude. […]
Valérie Munier, Aurélie Chesnais et Karine Molvinger. La mesure en mathématiques et en physique : enjeux épistémologiques et didactiques. (Extrait)
[…] Dans la pratique scientifique comme dans l’enseignement, la mesure et l’instrumentation jouent un rôle essentiel dans le cadre des démarches expérimentales, pour définir clairement le phénomène étudié, construire des faits scientifiques. Les activités faisant appel à la mesure et à l’instrumentation peuvent avoir pour fonction, entre autres, de tester une hypothèse, déterminer des paramètres ou des constantes physiques, établir une loi, explorer le champ de validité d’un modèle… […]
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Chantiers de Sciences 
