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Définition et synonyme de : PURETÉ, chimie

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Article publié par Encyclopaedia Universalis PURETÉ, chimie « Tout est mélange », a-t-on envie d'écrire. Le corps pur s'apparente à une conjecture, et n'admet de définition qu'opératoire. N'est-il qu'un inaccessible idéal, éloigné de toute réalité ? Ce n'est pas aussi tranché. Le cristal vient infirmer un pessimisme aussi radical. Il suffit pour s'en convaincre de rappeler une observation simple : parfois, du sucre cristallise dans un pot de confiture. Le fait est étonnant car le bocal contient un mélange où coexistent des dizaines, peut-être même des centaines, d'espèces chimiques distinctes. Néanmoins, s'y forment spontanément des cristaux de sucrose. Ils sont, de plus, d'une pureté plus qu'acceptable. L'explication de ce qui apparaît « miraculeux », l'apparition du pur se singularisant au sein de l'impur, vient de la discordance entre deux échelles de temps. Dans celle de la vie courante, les durées se chiffrent en heures et en journées. Dans celle du monde microscopique, celui des molécules qui, même dans ce milieu visqueux de la confiture, se remuent et se déplacent constamment, l'unité de temps est plutôt la nanoseconde. Une seconde contient un milliard de nanosecondes. Une heure équivaut à 3  600 milliards de nanosecondes. Le processus aboutissant à la formation de cristaux de sucre pur fait intervenir des collisions moléculaires, répétées un très grand nombre de fois.
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PURETÉ, chimie

« Tout est mélange », a-t-on envie d'écrire. Le corps pur s'apparente à une conjecture, et n'admet de définition qu'opératoire. N'est-il qu'un inaccessible idéal, éloigné de toute réalité ?

Ce n'est pas aussi tranché. Le cristal vient infirmer un pessimisme aussi radical. Il suffit pour s'en convaincre de rappeler une observation simple : parfois, du sucre cristallise dans un pot de confiture. Le fait est étonnant car le bocal contient un mélange où coexistent des dizaines, peut-être même des centaines, d'espèces chimiques distinctes. Néanmoins, s'y forment spontanément des cristaux de sucrose. Ils sont, de plus, d'une pureté plus qu'acceptable. L'explication de ce qui apparaît « miraculeux », l'apparition du pur se singularisant au sein de l'impur, vient de la discordance entre deux échelles de temps.

Dans celle de la vie courante, les durées se chiffrent en heures et en journées. Dans celle du monde microscopique, celui des molécules qui, même dans ce milieu visqueux de la confiture, se remuent et se déplacent constamment, l'unité de temps est plutôt la nanoseconde. Une seconde contient un milliard de nanosecondes. Une heure équivaut à 3 600 milliards de nanosecondes.

Le processus aboutissant à la formation de cristaux de sucre pur fait intervenir des collisions moléculaires, répétées un très grand nombre de fois. Au gré du hasard et du mouvement brownien, les molécules se rencontrent, butant les unes contre les autres, dans toutes les configurations concevables. Chacune des molécules de sucrose présentes dans le mélange (la confiture), à un instant ou à un autre, vient tenter sa chance. Elle vient heurter l'édifice microcristallin qui germe. Elle tente de s'y accrocher. Elle y cherche sa place. Et ce n'est qu'après moult essais infructueux qu'elle parvient enfin à s'ajuster dans une cavité, juste à sa taille, que le microcristal lui offre.

La configuration d'un cristal est absolument régulière, la monotonie même, synonyme d'une quasi-perfection dans la répétition d'un même motif dans les trois dimensions de l'espace. Le phénomène de cristallisation est un procédé de purification très efficace : il permet d'isoler un corps pur d'un mélange.

Les chimistes y ont recours lorsqu'ils purifient une molécule quelconque, celle d'un médicament par exemple, dont il importe qu'il soit débarrassé de toute impureté. L'exploitation de la cristallisation comme moyen de purification n'a pas attendu, pour autant, la montée en puissance de l'industrie chimique à partir de la seconde moitié du xixe siècle, ou celle de l'industrie pharmaceutique dans le courant du xxe siècle.

Le processus de production de sel par évaporation existe depuis des millénaires. Dans les marais salants, il permet, par cristallisation fractionnée dans les compartiments qui se succèdent tout au long du cheminement de la saumure, qu'organisent et contrôlent les paludiers, de recueillir séparément les cristaux de chlorure de sodium, de chlorure de potassium (irritant du système digestif, s'il subsiste dans le mélange), de chlorure de calcium, de sulfate de calcium (gypse), etc.

Dans une variante plus moderne, la cristallisation sert à préparer les monocristaux de silicium ou de germanium, essentiels à l'électronique et à l'informatique, qui servent de matière première pour la fabrication tant d'un transistor que d'une puce informatique. Paradoxalement alors, à l'impératif de pureté lors de la lente et si soignée élaboration dudit monocristal succède son contraire, lorsque les ingénieurs le dopent d'impuretés bien définies, à des teneurs elles aussi très soigneusement calibrées.

La chimie a elle aussi son impératif de pureté, car, pour qu'un mode opératoire quelconque soit reproductible, il importe que les produits chimiques y intervenant soient purs. Sinon, les résultats peuvent être totalement aléatoires.

La raison majeure de cet état de fait est la catalyse. La plupart des transformations chimiques sont sujettes à catalyse, c'est-à-dire à leur accélération, souvent considérable, en présence d'une quantité minime de catalyseur. Des traces d'impuretés, métalliques en particulier, peuvent jouer ce rôle. C'est ce que l'on observe, par exemple, dans la corrosion due à l'air humide d'une pièce métallique non protégée ou d'une statue de pierre.

La cristallisation peut encore s'améliorer, lorsqu'on vise la pureté maximale, par son redoublement. La recristallisation consiste à redissoudre les cristaux existants dans une petite quantité d'un solvant avant de faire à nouveau cristalliser cette solution, proche de la saturation en solide. Les impuretés passent plus facilement en solution que ne le font les molécules du solide qu'elles contaminent. Ainsi, une cristallisation suivie d'une ou plusieurs recristallisations est un très efficace moyen de purification.

Il existe d'autres méthodes permettant de séparer les composantes d'un mélange. Les plus répandues sont sans doute les techniques de la chromatographie. Elles consistent en des « courses d'obstacles » pour molécules. On fait parcourir à ces dernières de très longs trajets dans des tuyaux encombrés de toutes sortes d'objets (phase fixe). Un fluide vecteur, gazeux ou liquide, entraîne avec lui le mélange des molécules à séparer. À l'instar d'un petit bout de bois et d'un tronc d'arbre dans la descente d'un torrent, au lit parsemé de rochers, les différents types de molécules présents mettent des temps variables pour effectuer leurs parcours, et sortent séparément, les uns après les autres, de ces dispositifs. Il ne reste plus qu'à les recueillir.

La science chimique a donc une conscience aiguë tant de l'importance de la pureté des produits qu'elle fait intervenir que de l'inaccessibilité d'une pureté absolue. Nous voici revenus à notre point de départ, pour constater que l'important est moins le résultat, cet idéal inaccessible de la pureté, que le processus de purification y conduisant.

De plus, tout comme dans l'exemple de la puce de silicium, les impuretés ont un rôle généralement positif – pour autant, bien sûr, qu'elles aient été contrôlées, dans leur nature et dans leur nombre. Victor Grignard (1871-1935) se vit décerner le prix Nobel de chimie en 1912 pour sa découverte des réactifs organomagnésiens, aux multiples applications. Un métal, le magnésium, entre dans leur composition. De nombreuses études se sont appliquées à élucider le mécanisme des réactions dans lesquelles ils interviennent. On s'attendrait, naïvement, à ce que leur reproductibilité soit d'autant meilleure que le magnésium est plus pur. Or certaines impuretés métalliques semblent au contraire être indispensables au succès des réactions de Grignard.

En dernier ressort, la chimie a hérité de l'alchimie son obsession, non pas de la pureté, mais de la purification. Un alchimiste allemand du xvie siècle n'écrivait-il pas : « Rien d'impur ne peut ouvrir ce ciel qui est d'or. »

Auteur: Pierre LASZLO
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