Chimie au siècle des Lumières : les affinités électives

Johann Wolfgang von Goethe
Johann Wolfgang von Goethe

 « Ainsi les deux amants reposent côte à côte. La paix plane au dessus de leur asile ; de la voûte, les images sereines de leurs frères, les anges, abaissent leurs regards sur eux et qu’il sera doux l’instant, où, un jour, ensemble ils se réveilleront ! »

Goethe  Les affinités électives (1809)

 

 

Dans le célèbre roman de Goethe, un couple d’abord intimement uni se voit adjoint  un tiers  (le capitaine, ami d’enfance d’Edouard, l’époux) puis un autre personnage (Odile, pupille de Charlotte, l’épouse).

Le jeu des combinaisons est remanié et se fixe rapidement  sur deux nouveaux couples : Charlotte + le Capitaine ; Edouard + Odile.

 

Et Goethe explicite clairement la théorie chimique des affinités :

 

« Imaginez entre A et B une union si intime que de nombreuses tentatives et maintes violences ne réussissent pas à les séparer ; imaginez C pareillement lié à D ; mettez les deux couples en présence : A se portera vers D, C vers B, sans qu’on puisse dire qui a quitté l’autre le premier, qui s’est uni à l’autre le premier. »

 

Les chimistes disent à l’époque à peu près la même chose :

 

Si un corps C mis en présence d’un « mixte » AB donne la combinaison AC (obtenu généralement par précipitation, on en concluait que le corps C avait plus d’affinité que le corps B pour le corps A

 

Goethe, génie un peu touche à tout (féru de botanique notamment, voir le Ginkgo biloba de Weimar) reprend donc, dans son célèbre roman, un concept chimique qui traversa tout le XVIIIème siècle, celui d’affinité.

 

Les réactions de déplacement des acides ou des métaux de leurs sels et la double décomposition réciproque des sels en solution étaient déjà bien connues. On savait que certains éléments tendaient systématiquement à s'apparier, allant jusqu'à se séparer d'un partenaire qui les attirait moins dans une autre combinaison.

 

Le concept d'affinité naît du souci des premiers chimistes de déchiffrer les règles de ce jeu des "amours" et des "haines" moléculaires !

 

Même si le mot ne semble avoir été prononcé pour la première fois qu’en 1733 par Herman Boerhaave, il faut clairement remonter à Newton et à sa fameuse question 31 annexée au traité d’Optique pour trouver l’origine du débat autour du mot lui-même.

 

Newton parle d’une force attractive, agissant pour opérer des combinaisons chimiques dans lesquelles les corps conservent toutes leurs propriétés initiales, contrairement aux mélanges.

 

Sous ce concept, la combinaison chimique apparaît comme dérivée de la théorie des attractions newtoniennes.

 

L’enjeu va même bien au-delà, car la question qui se posera jusqu’au début du XIXème siècle est celle-ci : la chimie sera-t-elle une branche de la physique newtonienne ou une science autonome non newtonienne ?

 

Dans cet épisode je vais évoquer les travaux de trois savants newtoniens qui animèrent le début du siècle des Lumières et qui tous les trois reprirent ce concept d’affinité : Georg Ernst Stahl (1659–1734) à qui l’on doit la théorie du phlogistique et qui érigea la doctrine animiste, Hermann Boerhaave –Boerhaaven- (1668-1738) qui cumula trois chaires (botanique, médecine et chimie) sur cinq au sein de la prestigieuse université de Leyde et Etienne-François Geoffroy (1672-1731) qui est celui qui alla le plus loin dans la présentation et l’utilisation de l’affinité élective. 

Georg Ernst Stahl
Georg Ernst Stahl

 Georg Ernst Stahl (1659 - 1734)

 

Chimiste et médecin allemand, né en Bavière et mort à Berlin.

Stahl était passionné par la chimie. Il lui consacra l’essentiel de ses recherches, multipliant les expériences, publiant quantités d’ouvrages.

Ses idées sont originales et il acquiert vite la renommée d’un savant novateur. En 1694, il quitte Weimar pour l'université de Halle, où il est nommé professeur de médecine ; il y enseigne aussi la physiologie, la pathologie, la diététique, la pharmacologie ainsi que la botanique !

La qualité de ses travaux est très vite reconnue et grâce à lui, la nouvelle Université a d’emblée acquis un rayonnement considérable. C’est la période la plus féconde de Stahl. En 21 ans d’activité à Halle, il va notamment bâtir et propager sa célèbre doctrine du phlogistique par d’innombrables publications et conférences.

 Sa renommée est telle qu’en 1716, il devint médecin du roi Frédéric-Guillaume Ier de Prusse à Berlin. 

 

Les théories de Stahl ont été diffusées assez lentement en France. Le « Nouveau cours de chimie suivant les principes de Newton et de Stahl »,  attribué  à Jean-Baptiste Sénac (1693-1770, praticien gascon qui sévit à Montpellier et devint le premier médecin de Louis XV), qui les expose pour la première fois, ne parut qu'en 1723.

 

 Les Éléments de chimie du meilleur commentateur de Stahl, Johan Junker, lui aussi professeur à Halle, ne furent traduits qu'en 1757.

 

Stahl, chimiste éminent, s’éloigne pourtant radicalement des iatrochimistes (et évidemment des mécaniciens) pour se situer dans la lignée de Paracelse et de Van Helmont en reprenant (et modernisant) le thème de l’élan vital.

 

Georg Ernst Stahl pensait que l’âme dirigeait toutes les fonctions organiques du vivant. Son «animisme» se manifestait aussi dans un principe du feu, nommé «phlogistique», qu’il imaginait exister dans les corps inflammables et à l’origine de la combustion, décrite comme un processus chimique.

 

La combustion

 

Le phénomène de la combustion, source de chaleur, de lumière et de vie, apparaissait alors comme un problème essentiel ; la doctrine chimique du phlogistique constitue la première interprétation scientifique du phénomène. Ce n'est qu'à la fin du siècle après les travaux de Lavoisier sur l’oxydation, qu'elle devint obsolète. Pendant presque un siècle elle fut une cause indéniable du développement de la chimie.

On a longtemps cru que la chaleur était constituée d'un fluide que l'on avait nommé le phlogistique (dérivé savant formé par J.J. Becher d'après le grec phlogistos « inflammable »). La perte de masse (La masse est une propriété fondamentale de la matière qui se manifeste à la fois par l'inertie des corps et leur interaction gravitationnelle.) résultant d'une combustion était attribuée au départ du phlogistique.

Lorsque Georg Ernst Stahl énonce sa théorie du phlogistique (dont les bases avaient été posées par Johann Joachim Becher), il explique la combustion par le feu, mais aussi l'alimentation ou la rouille du métal. À cet égard, le dégagement du phlogistique renvoie à une règle moderne concernant le déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la valeur, et finalement le sens En architecture navale, le déplacement est une mesure du poids d'un navire. En linguistique, le "déplacement" est la capacité d'un langage à référer à des...) des équilibres.

 

Il avança ainsi pour la première fois une idée acceptable de la conversion des minerais métalliques en métaux : un minerai, pauvre en phlogistique, est chauffé avec du charbon, très riche en phlogistique ; celui-ci passe du charbon au minerai ce qui donne comme produits de la cendre et du métal. On pourrait écrire selon nos notations modernes une équation bilan :

 

Charbon (riche en j) + Minerai (pauvre en j) donne  Cendre (pauvre en j) + Métal (riche en j)

J : symbole du phlogistique

 

Le phlogistique était donc un principe hypothétique, mais la théorie qu’il engendra était cohérente et permit d’expliquer la combustion des corps.


Une autre démarche de Stahl eut des conséquences tout aussi importantes. Ayant postulé que l’échange de phlogistique lors de la combustion provoquait le déplacement des éléments de la matière, il rechercha la nature de ces principes constituants.

Il étudia les sels et leur mélange et distingua «l’union mixitive» de «l’aggrégation» ou « union aggrégative » (termes et définitions repris dans l’Encyclopédie sous menstrues) Pour lui, la mixtion crée à partir de composants hétérogènes un corps homogène, un mixte, qui est différent et qui change de propriété. En revanche, l’aggrégation est une union purement mécanique, sans fusion. Analyser les mixtes et caractériser leurs principes constituants sera le propre de la chimie nouvelle.

Il faut noter que dans l'article "Feu" qu'il rédige pour l'Encyclopédie, D'Alembert met en doute la théorie du phlogistique :

 

"... or les dogmes de Becher et de Stahl, sur le principe de feu qui paraissent démontrables à quelques chimistes, sont au contraire, pour quelques autres et pour un certain ordre de physiciens, incompréhensibles et absolument paradoxes, et par conséquent faux."

 

L’animisme

 

On ne peut parler de Stahl sans évoquer une doctrine, souvent fort mal interprétée, et que l'on a désignée sous le nom d'animisme. Quoiqu’étant, comme nous venons de le voir, l'un des plus grands chimistes de son temps, il rompit avec les doctrines galéniques et chimiatriques, et défendit l'idée que la force qui préside aux phénomènes organiques est absolument distincte de celles qui régissent la matière inorganique.  

 

La Chimiatrie.


Sylvius
prétendait expliquer tous les phénomènes du métabolisme animal par les seules lois de la chimie. Suivant lui, la plupart des maladies viennent de ce que les acides ou les alcalis sont en excès dans les humeurs et leur communiquent une âcreté morbide. La thérapeutique consiste donc à opposer les alcalis aux acides, et réciproquement. Le système de Sylvius constitue ce qu'on a appelé l'Iatrochimie ou la Chimiatrie.

La doctrine médicale de Stahl que l'on retouve dans son Theoria medica vera (Théorie de la vraie médecine), publié pour la première fois en 1708, peut se résumer en quelques lignes. L'âme veille sur l'organisme dont elle a la charge, lui envoie des armes telles que la fièvre, les hémorragies spontanées… Sa thérapeutique est exclusivement expectante; cependant son expectation est active : le médecin suit la marche de la nature, l'aide, la corrige…

 

Pour Stahl, l'âme est la cause première des faits vitaux aussi bien que des faits intellectuels et moraux. En fait le savant allemand réuni en un corps de doctrine, les idées éparses sur l'animisme, dont les principales remontent à Aristote. La vie, d'après lui, ne peut être ramenée ni aux lois générales du mouvement, ni à un système de combinaisons chimiques : le principe vital est proprement l'âme pensante.

Comment l'âme peut-elle présider à des phénomènes plastiques et à des mouvements dont elle n'a pas conscience? C'est que l'âme, selon Stahl, possède à la fois des facultés supérieures, la conscience et le raisonnement (logismos) et des facultés inférieures, intuition, instinct, sagesse sans raisonnement (logos).

 

L'influence de Stahl sur le développement des théories médicales modernes fut considérable.

L'adepte le plus enthousiaste de Stahl fut François Boissier de Sauvages (1706-1767), professeur à Montpellier, l'auteur de la fameuse Nosologia methodica, publiée en 1760.

Les contradicteurs les plus déterminés de l'animisme furent Leibniz et son collègue à Halle, Friedrich Hoffmann.

 

Friedrich Hoffmann (1660–1742), professeur de médecine comme Stahl, et presque aussi célèbre, ne reconnaît pas le rôle de l’âme en biologie. Il affirme que la force est inhérente à la matière et qu’elle se manifeste par des mouvements mécaniques qu’on peut déterminer par des mesures, des chiffres, des poids. D’après lui, l’organisme a donc une structure mécanique, qui peut donner lieu, dans le corps, à deux états opposés, la tension et le relâchement, correspondant respectivement à la santé et à la maladie.

 

Les réactions au système de Stahl n'eurent comme conséquence que de favoriser l’évolution de l’animisme stahlien vers le «vitalisme», une école qui connut un grand succès principalement en France, et particulièrement à Montpellier, qui attribue la plupart des phénomènes que présente le corps humain à une cause inconnue qu’il nomme «principe vital». Le principe vital est distinct à la fois de l’âme et du corps et c’est lui qui dirige les actions organiques.

 

J’ai déjà effleuré le sujet, j’y reviendrai de façon plus détaillée.

 

 Hermann Boerhaave (1668-1738)

 

Grand savant néerlandais, Hermann Boerhaave (Boerhaaven) cumula trois chaires (botanique, médecine et chimie) sur cinq au sein de la prestigieuse université de Leyde (Leiden) qui jouissait à l’époque d’une très grande réputation, au même titre que Paris et Montpellier.

 

Professeur de médecine, il emprunte aussi bien à Hippocrate qu’aux Modernes, les faits bien établis qu’il enseigne. Après avoir préconisé à ses débuts la méthode d'Hippocrate, il s'en écarta peu à peu et joignit à la philosophie naturaliste du médecin grec des explications chimiques et mécaniques.

Comme Borelli, il sera donc iatromécanicien, c’est-à-dire qu’il explique la physiologie par la mécanique du corps vivant et les maladies par les dérèglements de celle-ci.

 

Les médecins iatromécanistes s'appuient sur le texte de l'Homme de Descartes pour défendre la thèse que tout animal est une machine et que tout être vivant est supposé agir comme une machine et selon les lois de la mécanique seulement (la notion d'organisme est ainsi réduite à celle de machine).

 

Professeur de chimie, c’est là peut-être que son œuvre est scientifiquement la plus importante.

 

Boerhaave estimait que la chimie était le complément indispensable de la médecine. Pour lui, l’observation était l’acte primordial, mais la chimie devait lui apporter le soutien scientifique.

A cette époque, l’influence de Newton sur le développement de la chimie est à son apogée et Boerhaave va prendre ouvertement position pour lui.

 

D'où vient l'action chimique ?

 

Il s’agit de la question préliminaire et incontournable pour tous les chimistes du 18ième siècle qui se veulent rationnels. Boerhaave constate que la structure corpusculaire de la matière représente l’hypothèse la plus compatible avec les faits observés.

 

La mixtion (la réaction) ne peut dès lors s’opérer que par le rapprochement puis la jonction des particules concernées et Boerhaave sera amené à développer très largement cette nécessité expérimentale lors de l’étude des menstrues (un menstrue désignait tout liquide capable de liquéfier un solide).

 

Le savant néerlandais le souligne, pour comprendre la mixtion, il faut faire intervenir une ‘‘qualité spécifique’’ des particules considérées, ce que l’on appellera un peu plus tard l’affinité.

 

Il publie en 1732, Elementa Chemiae ("Éléments de chimie"), un ouvrage qui contribua beaucoup à la clarté et à l'intelligibilité de la chimie, qui comprend cinq parties : le traité du Feu, le traité de l’Air, le traité de l’Eau, le traité de la Terre, le traité des Menstrues. Il parut en plus de 25 éditions en diverses langues et attira les étudiants et les chimistes de l’Europe entière.

 

La théorie des affinités connut donc un grand essor grâce à Boerhaave. Pourtant, ce dernier, s'il travaille sur la voie de Newton, ne veut pas aller plus loin. Il écrit :

 

« On se trompera si l'on attribue aux pouvoirs mécaniques une efficacité plus grande que celle que l'auteur de la nature a trouvé à propos de lui accorder. Ce pouvoir a des bornes au-delà desquelles il ne faut pas aller si l'on veut s'en servir pour expliquer les opérations de la chimie. »

 

Prudent, il se contentera de conclure devant ses étudiants : « toute la chimie se réduit donc à joindre et à séparer ; il n’y a pas une troisième chose qu’elle puisse faire. »

 

La combustion

 

Boerhaave a lui aussi sa théorie sur la combustion. Il appelle le principe du feu le pabulum ignis, c’est-à-dire l’aliment du feu parce que, d’après lui, ce composant énigmatique de la matière inflammable est comme mangé par le feu, ce qui explique son dégagement par la combustion.

 

Les éléments mêmes du feu, distincts des aliments du feu, sont constitués par de petits corpuscules qui se comportent comme des corps célestes et la loi de l’attraction universelle d’Isaac Newton, valable pour l’infiniment grand, s’applique aussi aux corpuscules invisibles de la matière. La combustion, comme les phénomènes chimiques, devient alors la résultante d’attractions ou de répulsions entre corpuscules. Pour lui, ce déplacement du pabulum ignis lors de la combustion est donc un phénomène mécanique et physique.

 

Nous venons de voir qu'à cette époque, la théorie du phlogistique de G. E. Stahl triomphe...

 Étienne-François Geoffroy (1672- 1731)

dit l'Ainé, chimiste et médecin français.

 

François Geoffroy, issu d’une longue lignée d’apothicaires, entreprit de nombreux voyages, d’abord à Montpellier, pour compléter sa formation en pharmacie, puis en Angleterre, où “il gagna l’amitié de la plupart des Illustres d’un pays qui en produit tant”, en Hollande, “où il vit d’autres savants, fit d’autres observations, acquit de nouvelles connaissances” et enfin en Italie.

 

Par la suite, il fit comme Louis Lémery (fils de Nicolas Lémery dont j'ai déjà parlé) une carrière parisienne, enseignant la chimie au Jardin Royal des plantes dès 1707, professeur de médecine au Collège royal en 1709. Cependant il ne cessa de s’inspirer des travaux étrangers, et en particulier ceux de Stahl et des proches de Newton. Il était membre de la Royal Society.

 

En 1718, Geoffroy, présente une table des différents rapports observés entre les substances sous un titre prudent « Table des différents rapports entre différentes substances un tableau des corps dans l'ordre où ils sont déplacés de leurs composés les uns par les autres ». Table qui suit le modèle proposé par Newton dans la question 31, où il classe minutieusement les rapports (affinités) entre un grand nombre de métaux, de sels, d’acides  . . . suivant leurs attractions, leurs déplacements, leurs combinaisons et leurs dissociations.

 

Cette table se présente sous forme d'un tableau à 16 colonnes dans lesquelles les corps figurés par leurs symboles alchimiques sont rangés par ordre décroissant de leur affinité pour celui qui est en tête de chaque colonne.

 

Geoffroy ne fit cependant pas d’éloges de Newton, et se garda d’utiliser le terme "attraction" tant les attractions newtoniennes paraissaient suspectes à l’Académie Française des Sciences, composée en majorité de cartésiens.

 

Ce n'est qu'un peu plus tard, en 1720, qu'il écrivit le mot affinité. Sa tentative de fut assez mal accueillie par les cartésiens !

 

L'extrait de l'éloge de Geoffroy par Fontenelle (cartésien non obtus) montre combien, était grande en France les préventions contre le système des attractions :

 

« ll donna, en 1718, un système singulier et une table des affinités ou rapports des différentes substances en chimie. Ces affinités firent de la peine à quelques-uns qui craignirent que ce ne fussent des attractions déguisées, d'autant plus dangereuses, que d'habiles gens ont déjà su leur donner des formes séduisantes; mais enfin on reconnut qu'on pouvait passer par dessus ce scrupule et admettre la table de M. Geoffroy, qui bien a entendue et amenée à toute la précision nécessaire pouvait devenir une loi fondamentale des opérations de chimie et guider avec succès ceux qui travaillent. »

 

Fontenelle, homme des Lumières avant l’heure, prosateur et versificateur peu convainquant, fut un précurseur pour l’histoire des sciences. Secrétaire perpétuel de l’Académie des Sciences, il fit preuve de discernement dans ses éloges d’académiciens.

 

Ses Entretiens sur la pluralité des mondes (1686) rendirent Voltaire jaloux :

 

Lorsque Micromégas, le héros du conte éponyme de Voltaire, arrive sur Saturne en provenance de sa planète lointaine, il y rencontre un personnage singulier avec lequel se nouent aussitôt des échanges fructueux :

 

"Il lia une étroite amitié avec le secrétaire de l'Académie de Saturne, homme de beaucoup d'esprit, qui n'avait à la vérité rien inventé, mais qui rendait un fort bon compte des inventions des autres, et qui faisait passablement de petits vers et de grands calculs."

 

Nous sommes en 1752 et Voltaire (1694-1778) dresse là le portrait de Fontenelle (1657-1757), secrétaire perpétuel de l'Académie des sciences, qui a atteint l'âge respectable de 95 ans et s'éteindra presque centenaire. L'ironie dédaigneuse du philosophe des Lumières cache une blessure : ses Éléments de la philosophie de Newton, parus en 1738, ne sont pas parvenus à détrôner les Entretiens sur la pluralité des mondes, maintes fois réédités depuis 1686…

 

Malgré cette opposition de principe, le calcul des affinités chimiques retint l'attention d'un grand nombre de chimistes. A partir du milieu du XVIIIème siècle, beaucoup de tables furent publiées et les plus perspicaces sentaient que derrière cette conception encore très vague des affinités, se cachait l'un des grands problèmes de la chimie appelé à quelque avenir éclatant.


 Le succès de ces tables culmine avec celles qui furent établies par Bergman en 1775, qu'il déduira de la comparaison de nombreuses réactions effectuées par voie sèche (entre solides ou corps fondus) et par voie humide (en solution) et du résultat d'analyses quantitatives sur 59 substances représentant un potentiel de 30 000 expériences distinctes !

Cependant cette généralisation causa sa perte car de très nombreuses irrégularités apparurent.

 



Claude Louis Berthollet
Claude Louis Berthollet

 Il reviendra à  Berthollet (le "père" de l'eau de Javel), de montrer que l’action chimique ne dépend pas uniquement d’une « affinité absolue » des substances définie dans des tables.

Pour lui les conditions physiques des corps, leur solubilité, leur volatilité ainsi que les conditions expérimentales extérieures sont prépondérantes.

 

Dans deux ouvrages majeurs, Recherche sur les lois des affinités chimiques en 1801 et Essai de statique chimique en 1803. Berthollet définit pour la première fois la notion d’équilibre chimique et pose les lois des doubles décompositions connues depuis sous le nom de lois de Berthollet.

 

J'aurais sans doute l'occasion de reparler de Berthollet, des sels et des équilibres chimiques !

 

 

Bibliographie

 

Comme habituellement, l'essentiel est dans les liens. J'ai utilisé -souvent- des références anciennes (L'Encyclopédie de Diderot et d'Alembert, bien sûr, mais aussi bien d'autres) car il me parait important de considérer les faits et les idées avec des reculs différents.

 

Maurice Daumas, La chimie dans l'Encyclopédie...

Bernard Joly, Les affinités électives de Goethe : entre science et littérature

André Laugier, Le concept de la réaction chimique en gestation

Condorcet et al, Oeuvres complètes de Voltaire, Essai sur la nature du Feu

Raoul Jagnaux, Histoire de la chimie

Samuel Johnson, Herman Boerhaave

Complete Dictionary of Scientific BiographyGeoffroy, Étienne François

Maurice Griffé, Chimie