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Définition de : MILIEU, chimie

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Article publié par Encyclopaedia Universalis MILIEU, chimie Pour savoir ce qu'un mot veut dire, il est bon d'examiner quelques-unes des phrases dans lesquelles il intervient. Il est ainsi aisé de se convaincre de la pluralité des sens du mot « milieu » pour un chimiste. Ce terme désigne une solution aqueuse s'il est question de l'acidité du milieu, le liquide étudié lorsqu'il – s'agit des ions OH présents dans le milieu et l'ensemble du système opératoire décrit par une phrase comme « après avoir transvasé et filtré le milieu réactionnel ». Historique La notion de milieu, dont une définition assez floue pourrait être « domaine où s'effectue une réaction », d'une part englobe une très large gamme d'échelles spatiales allant du millier de kilomètres, et du million de kilomètres cubes (océan, atmosphère, espace), au milliardième de mètre (échelle de la molécule), et d'autre part inclut l'idée d'une influence du milieu sur une réaction quelconque. Historiquement, le terme remonte à une invention des alchimistes : observant attentivement les modifications d'aspect d'une matière contenue dans un récipient en verre, athanor ou cornue, ils en firent leur laboratoire, et s'assurèrent ainsi le contrôle d'un nombre restreint de paramètres. L'un de ceux-ci était l'environnement dans lequel mener les transformations. Ils se donnèrent le choix entre deux modes opératoires, qu'ils appelaient la voie sèche et la voie humide.
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MILIEU, chimie

Pour savoir ce qu'un mot veut dire, il est bon d'examiner quelques-unes des phrases dans lesquelles il intervient. Il est ainsi aisé de se convaincre de la pluralité des sens du mot « milieu » pour un chimiste. Ce terme désigne une solution aqueuse s'il est question de l'acidité du milieu, le liquide étudié lorsqu'il s'agit des ions OH présents dans le milieu et l'ensemble du système opératoire décrit par une phrase comme « après avoir transvasé et filtré le milieu réactionnel ».

Historique

La notion de milieu, dont une définition assez floue pourrait être « domaine où s'effectue une réaction », d'une part englobe une très large gamme d'échelles spatiales allant du millier de kilomètres, et du million de kilomètres cubes (océan, atmosphère, espace), au milliardième de mètre (échelle de la molécule), et d'autre part inclut l'idée d'une influence du milieu sur une réaction quelconque.

Historiquement, le terme remonte à une invention des alchimistes : observant attentivement les modifications d'aspect d'une matière contenue dans un récipient en verre, athanor ou cornue, ils en firent leur laboratoire, et s'assurèrent ainsi le contrôle d'un nombre restreint de paramètres.

L'un de ceux-ci était l'environnement dans lequel mener les transformations. Ils se donnèrent le choix entre deux modes opératoires, qu'ils appelaient la voie sèche et la voie humide. La première consistait à chauffer des composés sous forme de poudres dans un creuset. La seconde consistait à les dissoudre dans un liquide, longtemps appelé une menstrue par analogie avec l'écoulement menstruel, et que nous dénommons à présent un solvant.

Cette voie humide des alchimistes a, parmi de nombreux avantages, celui de l'homogénéité de la solution ainsi réalisée, dont les propriétés sont les mêmes pour tout élément de volume. On peut aussi obtenir facilement une température uniforme de la solution, par exemple en plaçant le récipient du mélange réactionnel dans une enceinte chauffée et en le soumettant à une agitation interne.

Les solvants qu'utilisent à présent les chimistes sont très divers. Ils vont d'un hydrocarbure comme l'hexane jusqu'à l'eau, en passant par l'alcool, l'éther ou l'acétone. Le choix d'un solvant dépend d'un certain nombre d'effets de milieu, et de ceux que l'on veut privilégier.

Caractéristiques et rôles des solvants

Mais quels sont ces effets de milieu, et quels sont les principaux facteurs pouvant affecter une transformation suivant le milieu où on l'effectue ?

Un premier facteur est l'aptitude d'un liquide à la dissolution d'un autre composé chimique, souvent un solide. Il est crucial pour l'utilisation généralisée des solvants à des applications aussi diverses que l'extraction d'une substance (à partir d'une plante, d'un liquide physiologique comme l'urine ou le sang, d'un mélange de produits d'une réaction), l'installation d'une réaction chimique (lorsqu'on dissout les partenaires réactionnels en un solvant commun) ou la détermination de la structure des composés dissous par voie de spectroscopie. L'aptitude à la dissolution est liée à une ressemblance de structure entre les molécules du composé dissous et celles du solvant. Cet attribut des molécules est plus qualitatif que quantitatif. Deux classes de solvants sont proches des extrêmes quant à leur polarité. Ce sont, d'une part, des hydrocarbures d'origine pétrolière, comme l'hexane, le benzène ou le toluène, qui fournissent des milieux de faible polarité, comparable à celle de l'air, et, d'autre part, des solvants aux molécules porteuses du groupement OH, comme l'eau, les alcools ou l'éthylène glycol, qui offrent l'accès à des milieux de forte polarité.

La pression interne d'un solvant est un paramètre lié à la fois à sa polarité et à son pouvoir dissolvant. Pour des solvants polaires comme l'eau ou les alcools, la pression interne atteint plusieurs milliers de bars.

Un autre facteur, applicable aux solutions incorporant, outre des molécules électriquement neutres, des sels dissous, est leur force ionique, qui augmente avec la teneur en sels. Son influence, similaire à celle de la polarité du milieu, peut amplifier cette teneur.

L'acidobasicité d'un milieu, mesurée par son pH, est un autre facteur, propre aux seules solutions aqueuses.

Ces divers facteurs (il en est d'autres...) sont importants, car ils ont une influence sur la stabilité et la durée de vie des molécules.

Certaines espèces chimiques, par exemple, n'ont d'existence que dans des milieux extrêmes, comme des solutions hyperacides. On peut aussi jouer de la nature du milieu pour stabiliser et rendre maniable un composé chimique très instable, et donc dangereux. C'est ce qu'accomplit Alfred Nobel en 1866, lorsqu'il parvint à stabiliser la nitroglycérine, puissant explosif, par imprégnation sur une terre siliceuse faite des squelettes de diatomées et dénommée kieselguhr, pour la fabrication de la dynamite. Le cas inverse est représenté par le sodium, lui aussi fortement réactif. On le conserve donc à l'abri de l'air et surtout de l'humidité, au sein d'un solvant comme l'hexane ou l'éther de pétrole. Il suffit de le mettre au contact de l'eau pour déclencher une belle explosion, c'est-à-dire une réaction chimique très rapide et dégageant de grandes quantités de chaleur.

Le milieu joue un rôle majeur dans la mise au point des formulations. Pour un cosmétique, il faudra trouver un milieu permettant de réaliser une crème onctueuse, dont les constituants ne vont pas sédimenter séparément sur les rayons d'un magasin. Toute une technologie des émulsions est mise à profit, couverte par de très nombreux brevets.

Quels sont les effets du milieu à l'échelle de la molécule ? Entre le désordre total du gaz, où les molécules sont libres, et l'ordre absolu du solide cristallin, où elles sont immobilisées, le cas intermédiaire d'un liquide est le plus intéressant. Une molécule dissoute dans un solvant s'y trouve soumise à ces effets de milieu que sont l'attroupement, la réorganisation incessante et l'éventuelle présence d'un ordre local. L'attroupement vient de ce que les forces s'exerçant entre des molécules sont dominées par des attractions. Le changement de configuration d'un instant à l'autre est imputable à l'agitation thermique : l'énergie se dissipe via les divers degrés de liberté disponibles que sont, pour une molécule, ses mouvements de translation et de rotation sur elle-même, ainsi que ses diverses vibrations internes. Mais le désordre ainsi institué n'est pas absolu, car chaque molécule, par sa forme et sa répartition des charges électriques, tend à orienter les autres molécules se trouvant sur son pourtour, celles du solvant en règle générale, ce qui contribue à créer un ordre local.

On trouve dans le milieu interstellaire, accessible grâce à la radioastronomie, des dizaines d'espèces moléculaires différentes, identifiées par leurs ondes radio et ayant chacune de deux à une dizaine d'atomes. Elles ne sont pas toutes isolées, à grande distance les unes des autres, mais résident aussi sur des grains de poussière, omniprésents dans le cosmos. Elles peuvent se combiner, entrer en réaction à la surface de ces poussières, qui leur servent à la fois de supports et de catalyseurs. C'est d'ailleurs sans doute ainsi que se sont formées les premières briques moléculaires, celles dont l'assemblage fut à l'origine de la vie et que pour cette raison on dénomme « molécules prébiotiques ».

Auteur: Pierre LASZLO