Le blog d'histoire des sciences

Dans l'année 1778, Lavoisier se trouve en Bretagne. Vraisemblablement en tournée d'inspection dans le cadre de sa charge de fermier général ou  de celle de régisseur de la régie royale des poudres.

Son séjour coïncide avec la visite que le Duc de Chartres fait, le 10 juin, aux mines de plomb argentifère de Poullaouen et Huelgoat dans l'actuel Finistère. Il se trouve alors dans cette localité et se joint à la visite.

Lavoisier découvre à Poullaouen une mine réputée pour son bon fonctionnement mais dont les techniques sont cependant encore proches de celles décrites par Agricola en 1556, dans "De Re Metallica", ouvrage dont plusieurs gravures illustrent le document réalisé en 1994 par des lycéens de Landerneau à l'occasion du bicentenaire de la mort de Lavoisier.( voir : Lavoisier à Poullaouen)

Les différentes machines nécessaires à l'extraction du minerai et aux opérations métallurgiques sont actionnées par l'eau d'une retenue qu'il a fallu alimenter par une multitude de canaux, d'aqueducs et même d'une galerie creusée dans le granit. Une machine à vapeur avait bien été installée en 1747 mais le coût prohibitif du charbon l'avait fait démonter dès 1752.

La visite fait l'objet d'une publication à l'académie des sciences. (voir Mémoire de l'Académie des sciences )

En chimiste, Lavoisier nous donne l'une des meilleures descriptions des procédés métallurgiques utilisés pour produire le plomb et en extraire l'argent. Le lecteur intéressé par l'histoire des sciences remarquera que le "père" de l'oxygène, qui vient de participer à la rédaction d'une nomenclature centrée sur ce corps, y fait la part belle au phlogistique dont il a combattu la thérie (voir : Lavoisier et le phlogistique ). Disons même que son exposé est un modèle de la théorie du phlogistique. Sans doute est-ce la condition pour que son mémoire soit retenu par ses pairs de l'Académie des Sciences non encore convertis à la nouvelle doctrine.

Le récit s'extrait de la chimie pour décrire un Duc de Chartre, futur Philippe Egalité, prenant des risques pour visiter tous les endroits de l'exploitation, y compris les galeries où il se fait montrer l'emploi des explosifs. Ou encore s'informant des conditions sociales de l'exploitation et en particulier des mesures prises pour "assurer aux ouvriers et à leur veuves une subsistance honnête dans les cas de vieillesse, d'infirmité ou d'accident".

La journée se termine par un concours de lutte bretonne suivi du traditionnel "fest noz", spectacle dont Lavoisier considère qu'il "retrace le tableau des mœurs antiques" à travers des jeux "tels que ceux que nous décrit Homère".

 

Cet article est  issu de cours de chimie assurés pendant plusieurs années dans les classes de secondes du lycée de l'Elorn à Landerneau. Le principe de ce travail est d'utiliser l'histoire des sciences, non pas comme un simple accompagnement, mais comme un des outils de l'apprentissage. Dans le cas présent, il s'agit d'utiliser les travaux de Lavoisier pour construire le cours du premier trimestre d'enseignement de la chimie en classe de seconde.


Ce travail a fait l'objet de trois publications.

Dans le Bulletin de l'Union des physiciens sous le titre : "1789 dans le laboratoire de Lavoisier". n° 720. p 39-55.1989.

Dans : Les Cahiers de Beaulieu. Université de Rennes. n°23. 1997.

Dans : Histoire des sciences et des techniques. Editions du CRDP de Bretagne.  p 365-379.1997.

Suite à ces publications, les fiches et la méthode ont été mises en oeuvre par plusieurs collègues qui y ont apporté leur propre créativité.

Cet article, à ranger dans la catégorie "didactique", ne doit pas effrayer le lecteur occasionnel. Il a été rédigé pour s'adresser à des enseignants, futurs ou actuels mais il devrait pouvoir aussi concerner toute personne s'intéressant à l'éducation, à l'histoire ou aux sciences. C'est du moins le souhait de l'auteur.
 

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Une exposition au lycée de l'Elorn à Landerneau pour le bicentenaire de la mort de Lavoisier
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Lavoisier est entré dans notre classe, au lycée de l'Elorn à Landerneau, par l'intermédiaire de son Traité élémentaire de chimie publié en 1789. Un livre de cours à l'usage des chimistes débutants qui se proposait de former un chimiste en deux ans et auquel on peut encore emprunter quelques manipulations commodes.

La chimie, en classe de seconde des lycées, peut être considérée comme le passage de l'approche qualitative du collège à une approche plus quantitative. Nous allons apprendre la mole, les masses et les volumes molaires. Nous allons être capables de déterminer des proportions stœchiométriques d'une réaction et d'en déduire les quantités de produits obtenus. Lavoisier, le chimiste de la mesure, ne serait-il pas le meilleur des guides pour accompagner cette évolution ?

Nous hisser, après trois mois d'études, au niveau de la recherche "de pointe" de la fin du XVIIIe siècle, passer les résultats de Lavoisier au crible de nos connaissances actuelles, comparer son travail expérimental au nôtre, confronter son modèle de la combustion à nos représentations intuitives : voilà de quoi donner des couleurs à notre début de cours.

Début septembre on prépare le terrain par un TP.

Commencer par une séance de travaux pratiques, un "TP", est une bonne façon de prendre contact au moment d'une rentrée scolaire. C'est, dès l'abord une occasion d'entrer en possession du laboratoire et du matériel, flacons, bec Bunsen, réactifs.

Ce premier TP aura pour thème : "Combustions dans le dioxygène, celle du carbone, du soufre (sous la hotte), du fer, du magnésium". Ce TP mettant en œuvre un matériel divers annonce déjà Lavoisier et l'observation de la combustion du fer qui l'amène à formuler l'hypothèse de l'existence du dioxygène dans l'air. Il est aussi l'occasion d'accumuler des écritures de réactions chimiques qui seront rapidement utiles dans la suite du cours et dans les exercices.

Pour la combustion du fer nous utilisons de la "laine de fer", produit généralement utilisé pour l'entretien du bois des meubles. Son intérêt est une combustion vive qui se fait avec une forte incandescence mais sans émission d'étincelles.

Première manipulation : Un flacon est empli de dioxygène. Un tampon de laine de fer est placé à l'extrémité d'un crochet suspendu à une plaque de bois assez grande pour obturer le flacon. Le seul fait de passer rapidement ce tampon dans la flamme éclairante d'un bec bunsen en enflamme quelques fragments. Il faut alors le plonger rapidement mais sans heurt dans le flacon. La goutte d'oxyde magnétique obtenue après combustion adhère fortement au crochet.

Un premier sondage nous permettra d'évaluer l'image que se font les élèves de la combustion, sujet déjà étudié en collège.

Dès la fin de la manipulation chacune et chacun est invité à prendre un papier afin d'y inscrire son nom  et de répondre à deux questions posées l'une après l'autre. :

1ère question : La matière qui reste fixée au crochet est-elle : moins lourde, de même masse, plus lourde, que celle du fer initial ?

2ème question : justifiez votre choix par une courte phrase (posée après la réponse à la première.

Les papiers sont ramassés sans autre commentaire immédiat. Le dépouillement effectué après le cours indiquera (chiffres de 1993 représentatifs de la répartition régulièrement observée) :

- 3 "moins lourd".
- 15 "même masse".
- 9 "plus lourd".

Les cours à venir semblent devoir être utiles !

En classe, on se sera contenté de traduire la réaction par l'équation :

Cette équation, comme celles qui l'accompagnent dans ce TP, devront être retenues par cœur (c'est du moins le souhait du professeur). Nécessaire cet apprentissage ? Ces quelques formules seront un bagage, léger mais utile, pour les étapes ultérieures. Par exemple pour illustrer un calcul de masse molaire ou pour explorer le tableau périodique.

Dans un cours sur "La mesure en chimie", nous introduisons l'ensemble des outils utiles à un élève de seconde : le nombre d'Avogadro, la mole, les masses molaires, le volume molaire et la densité des gaz.

Des exercices faisant appel aux proportions stœchiométriques deviennent alors possibles. On peut, par exemple, calculer la masse d'oxyde magnétique obtenue à partir d'une quantité donnée de fer ainsi que le volume de dioxygène nécessaire. Le moment est alors venu de faire intervenir Lavoisier.

Les fiches ci jointes, relatant la combustion du fer par Lavoisier et proposant un exercice sur ce thème sont distribuées. Une courte présentation du chimiste est faite et les élèves sont eux-mêmes invités à rassembler une documentation et à réaliser un dossier personnel le présentant dans son époque et situant sa place dans le développement de la chimie. Les fiches et le dossier seront remis au professeur quinze jours plus tard.

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Lavoisier est véritablement le premier chimiste à avoir accordé toute son importance à la mesure en chimie. Son activité de fermier général fait de lui un homme riche qui peut utiliser revenus pour faire fabriquer les meilleurs instruments de l'époque. Son laboratoire est aujourd'hui une des pièces essentielles présentées dans le musée des Arts et Métiers à Paris.

Dans son "Traité élémentaire de chimie", il relève la difficulté pour le commerce de la diversité des étalons de mesure, en particulier ceux des masses. La livre, dit-il "diffère d'un royaume à un autre, d'une province et souvent même d'une ville à une autre".

Les chimistes, par contre, devraient pouvoir échapper à ces inconvénients dans la mesure où les réactions chimiques sont une question de proportions. Peu importe la livre choisie pourvu que les masses soient partout exprimées avec les mêmes divisions. D'où la proposition par Lavoisier d'un système décimal :

"Ces considérations m'ont fait penser qu'en attendant que les hommes, réunis en société, se soient déterminés à n'adopter qu'un seul poids et qu'une seule mesure les chimistes, de toutes les parties du monde, pourraient sans inconvénient se servir de la livre de leur pays, quelle qu'elle fût, pourvu qu'au lieu de la diviser, comme on l'a fait jusqu'ici, en fractions arbitraires, on se déterminât par une convention générale à la diviser en dixièmes, en centièmes, en millièmes, en dix-millièmes, etc. c'est-à-dire, en fractions décimales de livres".

A la fin de son traité de chimie, Lavoisier propose donc des tables de conversion entre le système de mesure français et un système décimal. Lui-même fait fabriquer des masses décimales pour ses propres balances.

Exercice : compléter les tableaux suivants.

Mesure des masses : Au 18ème siècle le système de masse, en France, comprend : la livre, le marc, l'once, le gros, le grain.

Mesure de longueurs : Le système comprend le pied, le pouce, la ligne, le 1/12 de ligne.

Volumes : Les chimistes utilisent le pouce cube (ou pouce cubique).

Convertir.

1 pouce cube =               cm3

1 litre =                             pouce cube

Exercice : Lavoisier trouve qu'une livre d'eau a un volume de 24,687 pouces cubiques. Etes-vous d'accord ? (à rédiger sur feuille séparée)

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Dans son traité élémentaire de chimie (1789), Lavoisier décrit une combustion de fer dans le dioxygène qui ressemble beaucoup à celle que nous réalisons au laboratoire.

"Tout le monde connaît aujourd'hui la belle expérience de M.Ingenhouz sur la combustion du fer. On prend un bout de fil de fer très fin BC, (figure ci-contre), tourné en spirale, on fixe l'une de ses extrémités B , dans un bouchon de liège A, destiné à boucher la bouteille DEFG. On attache à l'autre extrémité de ce fil de fer, un petit morceau d'amadoue C. Les choses ainsi disposées, on emplit avec de l'air dépouillé de sa partie non respirable*, la bouteille DEFG.

On allume l'amadou C, puis on l'introduit promptement, ainsi que le fil de fer BC dans la bouteille, et on la bouche comme on le voit dans la figure que je viens de citer.

Aussitôt que l'amadoue est plongée dans l'air vital*, elle commence à brûler avec un éclat éblouissant ; elle communique l'inflammation au fer, qui brûle lui-même en répandant de brillantes étincelles, lesquelles tombent au fond de la bouteille, en globules arrondis qui deviennent noirs en se refroidissant, et qui conservent un reste de brillant métallique. Le fer ainsi brûlé, est plus cassant et plus fragile, que ne le serait le verre lui-même ; il se réduit facilement en poudre et est encore attirable à l'aimant, moins cependant qu'il ne l'était avant sa combustion."

*remarque : " l'air dépouillé de sa partie non respirable" est l'oxygène ou "air vital". A ce moment de son cours, Lavoisier n'utilise pas les mots oxygène et azote qu'il a cependant déjà définis deux ans plus tôt mais qui ne sont pas encore dans le langage courant. Il les introduira dans la suite de son livre. La "poudre d'algoroth", le "sel alembroth", le "pompholix", le "turbith minéral", sont des termes familiers aux chimistes du 18ème siècle alors que les mots oxygène ou hydrogène sont considérés comme barbares !

Pour pouvoir effectuer des mesures précises, Lavoisier élabore un montage d'une grande ingéniosité ( voir figures 3 et 11).

Le fer est placé dans une soucoupe sous une cloche contenant du dioxygène, l'ensemble étant posé sur une cuve à mercure. On peut ainsi mesurer le volume de dioxygène consommé dans la combustion et la masse de l'oxyde de fer formé. Remarquez (figure 11) l'emploi d'une loupe pour enflammer une mèche à travers le verre de la cloche.

Quand la combustion est terminée :

"On enlève doucement la cloche ; on détache de la capsule les globules de fer qui y sont contenus ; on rassemble soigneusement ceux qui pourraient s'être éclaboussés et qui nagent sur le mercure, et on pèse le tout. Ce fer est dans l'état de ce que les anciens chimistes on nommé éthiops martial ; il a une sorte de brillant métallique ; il est très cassant, très friable, et se réduit en poudre sous le marteau et sous le pilon. Lorsque l'opération a bien réussi, avec 100 grains de fer on obtient 135 à 136 grains d'éthiops. On peut donc compter sur une augmentation de poids au moins de 35 livres par quintal.

Si l'on a donné à cette expérience toute l'attention qu'elle mérite, l'air se trouve diminué d'une quantité en poids exactement égale à celle dont le fer a augmenté. Si donc on a brûlé 100 grains de fer et que l'augmentation de poids que ce métal a acquise ait été de 35 grains, la diminution du volume de l'air est assez exactement de 70 pouces cubiques à raison d'un demi grain par pouce cube. On verra dans la suite de ces Mémoires, que le poids de l'air vital est en effet, assez exactement d'un demi-grain par pouce cube."

Par la description qu'il en donne, on aura compris que le corps appelé par Lavoisier éthiops martial est ce que nous appelons oxyde magnétique auquel nous avons déjà donné la formule Fe3O4.

Relevons encore dans le texte suivant le souci de rigueur expérimentale chez Lavoisier :

"Je rappellerai ici une dernière fois que dans toutes les expériences de ce genre, on ne doit point oublier de ramener par le calcul le volume d'air au commencement et à la fin de l'expérience à celui qu'on aurait eu à 10 degrés du thermomètre, et à une pression de 28 pouces : j'entrerai dans quelques détails sur la manière de faire ces corrections, à la fin de cet ouvrage."

Aujourd'hui nous savons que le volume molaire des gaz est 22,4 l à la température de 0°C et à la pression de 760mm de mercure. On vérifiera facilement que la pression de 28 pouces est très proche de la valeur précédente. Par contre la température de 10° correspond à l'échelle Réaumur qui va du 0°R de la glace fondante au 80°R de l'eau bouillante, c'est donc une température correspondant à 12,5°C de notre échelle.

L'utilisation de la "loi des gaz parfaits" nous permettra de calculer le volume molaire des gaz dans les conditions du laboratoire de Lavoisier : 23,5 l.

Nous pouvons maintenant comparer nos connaissances avec les résultats expérimentaux de Lavoisier.

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Exercice : (à rédiger sur feuille)

1) Quelle masse de fer exprimée en grammes représentent 100 grains de fer.

2) Quelle quantité théorique d'oxyde magnétique (exprimée en grammes puis en grains) peut-on obtenir par la combustion de ces 100 grains de fer ? Comparez à la valeur mesurée par Lavoisier.

3) Quel est le volume théorique de dioxygène (exprimé en litres puis en pouce-cubes) consommé dans cette réaction si le volume molaire des gaz est 23,5 l ? Comparez à la valeur proposée par Lavoisier.

4) Lavoiser indique que la masse (le "poids") du dioxygène ("air vital") est assez exactement d'un demi-grain par pouce-cube. Déterminez la masse volumique du dioxygène en g/cm3 puis en grain/pouce cube et comparez à la valeur proposée par Lavoisier ( le volume molaire des gaz étant 23,5 l).

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Len résultat est généralement intéressant. La lecture du texte de Lavoisier est commode, l'étude stœchiométrique de la réaction de combustion du fer a déjà été faite en classe sous forme d'exercice d'application, le travail avec les valeurs proposées par Lavoisier est donc une forme de révision. C'est surtout une façon de comparer les calculs résultant de la théorie enseignée aux valeurs expérimentales de Lavoisier et de constater la remarquable précision de celles-ci.

Nous laisserons aux chimistes en herbe et à leurs professeurs le soin de compléter ces fiches. Pour répondre à la curiosité du lecteur pressé, disons simplement que le calcul indique une masse de 138 grains  d'oxyde magnétique obtenus pour 100 grains de fer, à comparer aux 135 ou 136 grains mesurés par Lavoisier. Ce qui donne à l'expérience de Lavoisier un rendement expérimental de 98% qui mérite d'être signalé.

Plus tard, dans un autre TP dont nous reparlerons, les élèves seront eux-mêmes mis en mesure de mesurer et de comparer leurs propres résultats expérimentaux avec ceux du célèbre ancêtre.

Les dossiers remis par les élèves sont également généralement de bonne qualité. Les moyens de reprographie et de traitement de textes disponibles dans les années 90 permettent des présentations agréables en un minimum de temps. Internet n'existe pas encore dans les centres de documentation des lycées, la recherche demandait donc un travail d'investigation relativement important, pourtant, de l'avis général, ce travail était plutôt considéré comme un des bons moments du cours de chimie.

L'expérience pourrait s'arrêter là mais il est logique de poursuivre.

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Travaux pratiques avec Lavoisier ou comment sortir d'un piège didactique.

Fin novembre, une nouvelle séquence de travaux pratiques est proposée sous le titre "Combustion du fer dans le dioxygène. Proportions stœchiométriques".  La réaction a déjà été réalisée au premier TP, elle a fait l'objet de plusieurs exercices en classe, il est clairement exposé que l'intérêt de la refaire réside dans notre capacité nouvelle à en prévoir les conditions quantitatives initiales et le résultat final à partir d'un calcul.

La séance commence donc par la résolution d'un problème portant sur les conditions initiales de l'expérience :

Problème : On souhaite réaliser la combustion de 1g de fer dans le dioxygène. Quel est le volume de dioxygène nécessaire ? (on prendra 24 l pour volume molaire des gaz). Le flacon utilisé contient 650 cm³ de dioxygène. Est-ce suffisant ?

Le calcul indique un volume minimum de 286 cm³ de dioxygène, les conditions sont donc remplies et il est possible de passer à la manipulation.

Manipulation : 1 g de laine de fer est pesé, le tampon fixé au crochet est rapidement passé dans la flamme d'un bunsen et plongé dans le flacon de dioxygène. La combustion se fait sans étincelles et la boule brillante d'oxyde magnétique reste à nouveau fixée au crochet.

C'est alors que les élèves sont invités à prendre un papier et que deux questions leur sont posées.

1^ère Question : La matière qui reste fixée au crochet est-elle, moins lourde, de même masse, plus lourde, que celle du fer initial ?

2^ème Question (posée après la réponse à la première) : justifiez votre choix.

On aura reconnu les questions posées dès la première séance, avant même que le cours soit abordé. Cette façon d'agir était initialement destinée à vérifier les progrès des élèves, on verra par la suite que son objectif aura varié.

Les papiers sont ramassé, ils seront dépouillés par la suite. Cependant il est possible de faire un sondage oral. Nous donnerons ici encore les chiffres de l'année 1993-1994.

-         Qui a répondu moins lourd ? 2 élèves (3 en septembre)

-         Qui a répondu même masse ? 15 élèves ( 17 en septembre)

-         Qui a répondu plus lourd ? 9 élèves (9 en septembre)

Des proportions figées à trois mois d'intervalle malgré un enseignement particulièrement répété. De quoi désespérer le professeur le mieux trempé quand, du moins, il rencontre ce résultat  pour la première fois. Le professeur averti saura que le même test pratiqué plusieurs années de suite donne à chaque fois des résultats proches.

La question était donc en elle-même un "piège didactique" dans lequel professeur et élèves semblaient être tombés. Restait à en sortir honorablement et, pourquoi pas, en faire un élément d'apprentissage.

Trois réponses différentes donc dans la classe. Comment trancher ? Les balances sont à portée de main sur les paillasses et tout naturellement quelqu'un propose : et si on pesait ?

Mais la mesure n'est pas encore faite qu'une agitation gagne les rangs. Un premier qui avait pronostiqué une masse égale se ravise : "Ah oui, bien sur, je me suis trompé, on a fait l'exercice, cela doit peser plus".  Avis rapidement partagé par une écrasante majorité. L'autorité de la chose enseignée vient de faire irruption dans la classe et a rapidement raison de l'intuition première pourtant solidement ancrée quelque part, dans un de ces lieux secrets du cerveau.

Pesons tout de même ! Et nous obtenons une série de mesures comprises entre 1,30g et 1,40g. La masse augmente bien !

La vérification par la pesée. Aujourd'hui, à la place du trébuchet, on trouverait des balances électroniques sur les paillasses.

Et maintenant calculons ! Un calcul rapide prévoit une masse de 1,38g d'oxyde magnétique. Certaines, ou certains, se rappellent alors que Lavoisier obtenait de 135 à 136 grains d'éthiops martial  à partir de 100 grains de fer. Et chacun de comparer son travail à celui de Lavoisier, et le professeur de rappeler que celui-ci disposait des meilleurs instruments de mesure de l'époque ce que chacune et chacun  est invité à aller le vérifier, à l'occasion d'un passage à Paris, en visitant le musée du Conservatoire des Arts et Métiers.

A la fin de cette séance, Lavoisier est un peu plus présent dans la classe. La conscience de l'importance de l'expérience, et surtout de la mesure, en sort renforcée. Sur un plan plus pratique, chacun a la conviction qu'il ne tombera plus dans ce piège (hélas, les professeurs ont le secret des pièges dans lesquels on tombe si facilement ! ).

J'ai retrouvé l'année suivante, en première, quelques uns et quelques unes de ces élèves. A l'occasion d'un travail sur la "chimie de la photographie" (c'était encore l'époque du noir et blanc argentique officiellement né, en 1839, avec Niepce et Daguerre), j'ai interrogé l'ensemble de la classe sur l'époque à laquelle on pouvait situer le début de la chimie. A la totale surprise de leurs camarades, ces élèves se sont rappelés Lavoisier, sa découverte du rôle de l'oxygène, sa mort sur l'échafaud en 1794. Je ne sais pas si le piège de la combustion du fer aurait encore fonctionné, mais au moins j'ai pu vérifier qu'un morceau de "culture scientifique" s'était installé pour quelque temps dans leur mémoire.

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Pour éclairer la persistance du pourcentage de réponses "justes" et "fausses" après un trimestre de cours, il est intéressant d'analyser les explications apportées par les élèves pour justifier leur choix.

C'est la réponse de 3 élèves sur 29.

Aurélien : Elle est moins grande qu'avant, une partie de la masse de fer a été brûlée par le dioxygène.

Maël : Moins lourd car le fer s'est consumé, donc sa masse a diminué par rapport à sa masse initiale.

Les mots "combustion", "brûler", "consumer", induisent presque nécessairement l'idée d'une perte de matière. L'image forte est celle du bois qui se consume en ne laissant que peu de cendres.

Il n'est d'ailleurs que de consulter un dictionnaire courant pour le vérifier. Par exemple, dans le Larousse en trois volumes (édition 1970).

"Combustion : action d'un corps qui se consume par le feu : quelques tourbes ne laissent qu'un faible résidu après la combustion"

"Consumer : v.tr. (lat.consumere, détruire peu à peu). Détruire peu à peu en réduisant à rien : la rouille consume le fer - une maison consumée par les flammes  - la passion le consume - il se consume de chagrin - les bûches se consument lentement."

Nous pouvons trouver quelque excuse à nos élèves si les très sérieux auteurs du Larousse ont de la combustion l'image de la rouille "consumant" le fer.

Lavoisier, dans son introduction à la Méthode de nomenclature (1787), puis dans celle de son Traité élémentaire de chimie (1789), insistait sur la nécessaire précision du mot :

Le mot combustion fait naître une idée : celle d'une bûche qui se consume dans un foyer et qui se réduit à presque rien. Lavoisier propose de le remplacer par le terme oxygénation. Mais les mots ont la vie dure et même les professeurs de chimie continueront longtemps à parler de combustion (comme il continuent, d'ailleurs, à parler d'oxydation pour des réaction ne faisant pas intervenir l'oxygène).

Notre mise en scène aura été utile si elle fait comprendre que la combustion du chimiste n'est la combustion ordinaire et qu'il faudra surveiller ce mot à l'avenir. Nous aurons d'ailleurs d'autres occasions de signaler à nos élèves qu'il en est souvent ainsi des mots de la physique et de la chimie, il faut apprendre à les dépouiller de leurs habits de tous les jours.

Mais revenons à notre questionnaire et aux autres réponses des élèves.

réponse de 17 élèves sur 29, très majoritaire (59%).

Keltia : égale parce que la paille de fer a fondu, elle est devenue plus petite mais elle a conservé son poids.

Séverine : égale. En effet, toutes les particules se sont regroupées, cela forme une boule très compacte.

Delphine : je pense que la masse reste la même mais que c'est le volume qui change.

Ici c'est l'observation qui guide l'interprétation. Ce que l'on perçoit, c'est d'abord une fusion et chacun sait que lamasse se conserve dans une telle opération physique. C'est la réponse de 59% des élèves et elle répond à une logique. Pendant des siècles les métallurgistes ont décrit leur art comme celui de la simple fusion des minerais provoquée par le feu et facilitée par les "fondants" qu'on y ajoutait.

Pour d'autres élèves, l'interprétation est aussi guidée par un "savoir chimique mal assimilé".

Céline : La masse est égale, les proportions se conservent.

Frédéric : Egale, rien ne se perd dans une réaction chimique. Rien ne se gagne dans une réaction chimique.

La loi des proportions définies, celle dite de Lavoisier (qui ne l'a jamais énoncée), trouvent ici une curieuse application. 

Passons à présent à la dernière série de réponses.

réponse de 9 élèves sur 29.

En septembre, environ un tiers des élèves a répondu "plus lourd". On pourrait se satisfaire de ce résultat si l'analyse des réponses ne révélait quelques surprises.

Stéphanie :  plus lourd parce que le fer est devenu plus compact, il a durci.

Vincent : plus lourd, la limaille de fer rassemblée en boule est plus lourde que quand elle est dispersée.

Natacha : supérieure, parce que la paille de fer est légère mais lorsqu'elle a brûlé toute la paille de fer a fondu sur elle-même, elle pèse doc plus lourd.

Thomas : le fer a diminué de volume donc sa masse est supérieure.

L'interprétation est ici encore celle d'une simple fusion mais mal analysée. La confusion entre masse et densité est classique : il est difficile d'admettre que le kilogramme de plomb ne "pèse" pas plus lourd que le kilogramme de plumes.

Il nous reste cinq élèves qui ont su mobiliser les connaissances acquises au collège pour nous donner une réponse en rapport avec le modèle enseigné.

Cynthia : la masse de l'oxyde est plus grande car le fer est associé à un autre corps, le dioxygène.

Guillaume : l'oxygène s'est associé avec le fer en lui conférant ainsi sa masse ce qui donne l'oxyde magnétique.

En novembre huit élève donneront la réponse attendue. Après un trimestre de cours et un même exercice répété sous différentes formes, le taux de réponses "correctes", avant vérification expérimentale, n'est toujours que de 30%. Même si l'ultime vérification par la balance a probablement fait progresser le score final, cette constatation est propre à convaincre le professeur du fait que l'art d'enseigner est d'abord celui de savoir répéter sans avoir l'air de le faire.

Il est remarquable de constater que les résultats de ce questionnaire se confirment d'année en année. Par exemple pour trois années successives.

Il est également intéressant d'observer la stabilité des réponses avant et après enseignement : rappelons les résultats de 1993-1994.

Si la proportion de réponse justes passe de 17% à 31%, c'est surtout la persistance d'un taux élevé d'erreurs qui saute aux yeux.

A y regarder de plus près, la lecture des phrases d'explication est une véritable révélation dans la mesure où elle indique une étonnante persistance dans les idées. Ceci particulièrement chez les élèves considérant que la masse ne varie pas.

Xavier en septembre : égale, la combustion n'allège pas le matière.

Xavier en novembre : égale, la combustion n'allège pas le fer.

Frédéric en septembre : égale. Rien ne se perd dans une réaction chimique. Rien ne se gagne dans une réaction chimique.

Frédéric en novembre : égale. Dans une réaction chimique, à une masse, rien n'est ajouté, rien n'est enlevé.

Céline, en septembre :  égale parce que la paille de fer est devenue plus compacte mais sa masse n'a pas changé.

Céline, en novembre : égale parce que la paille de fer s'est condensée mais sa masse n'a pas changé.

Non seulement les idées se sont conservées mais les mots qui les expriment sont restés les mêmes. Les élèves auteurs de ces réponses sont les premiers étonnés quand on les met en face de ce constat.

Une chose est certaine : la notion de combustion n'est pas simple  et il n'y a rien d'étonnant à ce que Lavoisier et les chimistes français qui partageaient ses idées aient dû mener bataille pour faire triompher leurs vues.

Nous invitons les lectrices et lecteurs intéressés à lire l'article que nous consacrons au sujet de leur combat contre la théorie du phlogistique.

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Dernier test.

Après quelques années consacrées à peaufiner et à faire varier ce dialogue entre notre classe et Lavoisier, un doute à commencé à germer dans l'esprit du professeur.

La combustion, au sens classique, c'est bien celle du charbon. Il faut un chimiste comme Lavoisier pour considérer que le fer est lui même un "combustible". Un retour aux sources ne serait-il pas nécessaire ?

Après avoir "brûlé" du fer et constaté l'augmentation de masse de l'oxyde obtenu. Après avoir nous être efforcés de corriger des intuitions "fausses", revenons à une manipulation classique.

Manipulation : Portons au rouge, dans la flamme chauffante d'un bunsen, un point d'un charbon de bois suspendu à un couvercle et plongeons celui-ci dans le dioygène contenu dans un flacon.

L'expérience avait déjà été faite dès le premier TP et le gaz carbonique obtenu testé à l'eau de chaux. L'équation de la réaction avait plusieurs fois été utilisée pour déterminer les proportions de la réaction, en particulier pour illustrer la notion de volume molaire des gaz. Il était donc logique, dans ce cas aussi, de proposer un test sous forme d'une question.

Question (répondez rapidement par écrit) : le morceau de charbon restant à la fin de la combustion est-il : plus lourd, de masse égale, moins lourd ... qu'il ne l'était au départ.

Le test est révélateur : une moitié de la classe se partage entre "moins lourd" et "même masse ou plus lourd" et il faut proposer de refaire l'expérience en pesant pour que les choses se remettent en ordre et que la grande majorité accepte l'idée que la masse a diminué car, cette fois, l'oxyde n'est plus un solide fixé au corps initial mais un gaz qui s'en est échappé.

L'expérience réalisée en pesant est d'ailleurs une excellente façon d'aborder la notion de rendement d'une réaction.

Qu'en conclure ? Qu'il faut un long cheminement avant de cerner la notion de "combustion". Qu'il faut savoir que le mot est trompeur et qu'il est essentiel de bien en préciser le sens chimique.

Et bien d'autres choses livrées à la réflexion de chaque lectrice ou lecteur.

Voir aussi : Lavoisier et le phlogistique

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Retour à la vie civile.

La combustion des déchets ménagers, opération à laquelle on à, aujourd'hui, attribué la dénomination "d'incinération", est un des grands sujets d'actualité. Dans l'esprit de la plupart de nos concitoyennes et concitoyens, pourtant passés sur les bancs de nos écoles et  ayant  subi nos cours de chimie, cette opération est la meilleure façon d'éliminer.

Question posée à un public intéressé par le sujet :

Question : A partir d'une tonne de déchets ménagers obtient-on : 10 kg, 100 kg, 1 tonne, deux tonnes, quatre tonnes... de produits ultimes ?

Question "piège" qui amène généralement une réponse majoritaire pour les 100 kg voire même 10 kg.

Il faut alors rappeler à nos concitoyens le bon vieux temps de leur cours de chimie et leur rappeler que leurs déchets étant essentiellement composés de matières organiques, c'est-à-dire de carbone, d'hydrogène et d'azote ils produiront de l'oxyde de carbone 3,67 fois plus lourd que le carbone initial, de la vapeur d'eau 9 fois plus lourde que l'hydrogène du départ et différents oxydes d'azote, le tout s'échappant par les cheminées dans une atmosphère devenue l'ultime poubelle (oublions les dioxines et autres produits du même genre). On peut leur rappeler aussi que le poids du mâchefer qu'il faudra ensuite gérer est supérieur à celui des métaux contenu dans leurs déchets.

En gros : en incinérant 1 tonne de déchets, ce sont bien environ quatre tonnes de nouveaux déchets qui viendront alimenter l'effet de serre ou encombrer nos "décharges".

C'est peut-être aussi pour ce rappel de notions anciennes fait à d'anciens collégiens et lycéens devenus citoyens adultes, qu'il est bon de bien décortiquer la notion de combustion dans nos cours de collège et de lycée.

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Pour comprendre la persistance d'intuitions erronées, on peut lire :

Lavoisier et le phlogistique  

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Documents joints :

On trouvera les premières fiches de ce travail proposées en 1986 par le lien ci dessous. On notera leur nature manuscrite correspondant à une période sans traitement de texte et sans internet. La photocopieuse elle même était d'usage limité. 

Lavoisier au Laboratoire

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Jacques Noël Sané ( 1740-1831)

Il naît à Brest en 1740, il a donc sensiblement le même âge que Rochon. Son père est également une personne instruite, en particulier dans le domaine scientifique car il est pilote-amiral du port de Brest.

Son fils veut se consacrer à la construction navale qui est, depuis quelques années, la branche la plus prestigieuse de la technique. La physique, les mathématiques, ont pris une grande importance dans cette discipline. Le mathématicien Euler a déjà écrit un ouvrage sur la science de la construction navale.

En 1765 un titre d'Ingénieur Constructeur de la Marine est créé. Jusqu'à présent, et depuis Vauban, le grade d'ingénieur n'existait que dans le génie. Après des études menées à Brest et un stage de 10 mois effectué à Paris, Jacques Noël Sané obtient son grade d'ingénieur à l'âge de 24 ans et fait donc partie d'une des premières promotions portant ce titre.

Il se fait la main sur quelques navires de service mais sa carrière commence vraiment en 1782 quand il bénéficie déjà d'une belle expérience.

A cette date, le ministre de la marine décide de normaliser la flotte et lance un concours pour la construction de navires de 74 canons. Jacques Noël Sané l'emporte et tous les navires de  cette classe sont alors construits suivant ses plans.

En 1786 il emporte un nouveau concours pour la construction de navires de 118 canons. Et à nouveau en 1788 pour la construction de navires de 80 canons.

Il ne faut pas croire pour autant qu'il était le seul ingénieur capable de son époque. Il a des compétiteurs sévères, par exemple Coulomb, ingénieur du génie mais aussi très bon mathématicien.

Une partie essentielle de la flotte française sera donc son œuvre. Beaucoup de ces navires seront en service jusqu'au début de la navigation à vapeur.

En 1789 Sané a 49 ans. Comme Rochon, il s'adapte très bien à la situation. Les révolutionnaires ont absolument besoin de  lui pour construire une flotte capable de résister aux anglais. Jean-Bon Saint André le nomme directeur du port et directeur des constructions navales. Grace à la réquisition de milliers de charpentiers et de tonneliers, il réussit à monter une flotte qui saura faire bonne figure face aux anglais. En particulier lors du combat qui oppose Villaret-Joyeuse à l'amiral anglais Howe, dit Dick-le-Noir, au large de Ouessant et qui donne lieu au fameux combat du Vengeur.

L'après révolution se passe également bien pour lui et il poursuit sa carrière jusqu'à l'âge de 77 ans. Un bilan de sa carrière est assez élogieux :

-         63 ans d'activité;

-         150 vaisseaux construits.

-         12 gouvernements servis.

-         43 ministres.

Bonaparte en remerciements de ses services l'a fait baron, La Restauration le fait Chevalier de Saint-Louis et Charles X Grand Officier de la Légion d'Honneur.

Il meurt à Paris en 1831 à l'âge de 91 ans.

Son dernier vaisseau, l'Océan, naviguait encore en 1855.

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Deux savants Landernéens : les frères Mazéas.

Après deux brestois, deux landernéens s'illustrent dans cette période : Jean-Mathurin et Guillaume Mazéas. Il sont tous les deux fils d'un notaire prospère exerçant à Landerneau.

Jean-Mathurin Mazéas (1713- 1801)

L'aîné, Jean-Mathurin naît en 1713. Il fait ses études supérieures à Paris, au Collège de Navarre.

Il faut dire ici un mot du Collège de Navarre. Il a été fondé en 1304 par Jeanne de Navarre, épouse de Philippe le Bel dans son hôtel de la rue Saint-André-des-Arts, afin d'y recevoir des étudiants de sa Province. On y accueillait aussi tout enfant de famille modeste ou pauvre issu des autres régions de France.

Au siècle des Lumières ce collège est devenu l'un des meilleurs établissements de l'Université de Paris. C'est là que Louis XV crée en 1752 la première chaire de physique qu'il confie à l'abbé Nollet. Entre autres élèves célèbres de cet établissement on peut citer Condorcet qui parle de ses professeurs avec la plus grande reconnaissance et cite leur enseignement comme un modèle à suivre.

Quand Jean-Mathurin Mazéas y termine ses études il se fait abbé et est nommé enseignant du collège. Ce sera un excellent enseignant, se fixant pour objectif d'armer ses élèves pour la suite de leurs études ou de leur activité professionnelle. Il veut, dit-il, enseigner "l'esprit géométrique" plutôt que la "géométrie". Dans ce but il écrit l'un des premiers cours de mathématiques, ce qui est une pratique récente dans le monde enseignant.

Son livre, "Eléments d'Arithmétique, d'Algèbre et de Géométrie" est considéré  comme l'un des meilleurs livres de son époque, il connaîtra 6 éditions entre 1758 et 1777. nous avons donc, en Jean-Mathurin Mazéas, le prototype d'une "Grande Ecole" parisienne, préfiguration de ce que sera l'enseignement à l'Ecole Polytechnique qui d'ailleurs, après la révolution, aura pour premier locaux le Collège de Navarre.

En 1789 Jean-Mathurin Mazéas a 76 ans, largement l'âge de la retraite. Du jour au lendemain il se trouve sans ressources. Les écoles royales ont été fermées et en tant qu'ecclésiastique il ne peut occuper d'autre emploi. Pour subvenir à ses besoins il vend ses livres et ses meubles. Il est alors recueilli à Pontoise par un ancien domestique et vit sur les économies de ce dernier jusqu'au moment où la bourse est à sec.

Le vieux serviteur a alors le courage de se rendre au ministère de l'intérieur plour plaider la cause de son ancien maître. Il y rencontre d'anciens élèves de Jean-Mathurin Mazéas qui lui font obtenir une pension qu'il touche jusqu'à la fin de sa vie.

On trouve dans les archives de la ville de Landerneau un certificat de résidence délivré au citoyen Mazéas par la section des Sans Culotte de Paris. On y apprend qu'il mesurait 1m74, avait des yeux gris et un menton large. Un bon breton en somme !

Il meurt à Paris en 1801, il a 88 ans.

 

Certificat de résidence de Jean-Mathurin Mazéas

délivré par la section des "Sans Culottes" de Paris.

 

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Guillaume Mazéas (1720- 1776)

 

Guillaume Mazéas, le cadet, naît en 1720, toujours dans la paroisse de Saint-Houardon à Landerneau. Il rejoint également le Collège de Navarre et devient également abbé.

Il est d'abord employé comme secrétaire, à Rome, à l'ambassade française auprès du Vatican. A cette occasion il s'intéresse aux antiquités romaines et rencontre des savants étrangers ayant les mêmes curiosités que lui. En particulier il devient le correspondant de Stephen Hales, scientifique anglais de grand renom.

En 1751 il est de retour à Paris où il occupe la fonction de bibliothécaire du Duc de Noailles qui est un amateur averti de tout ce qui touche aux sciences. C'est à ce moment qu'il vit la période la plus riche de sa vie scientifique et qu'il est associé à la première expérimentation du paratonnerre imaginé par Franklin.

Ici, disons un mot de Franklin. C'est le dernier enfant d'une famille de 13 enfants qui doit quitter l'école à 10 ans pour aider son père modeste fabricant de chandelles. Il apprend ensuite le métier d'imprimeur avec son frère et peut ainsi assouvir sa passion pour la lecture.

A 40 ans c'est un autodidacte accompli qui anime une société philosophique à Philadelphie. C'est à ce moment qu'il rencontre l'électricité. Un voyageur venu d'Angleterre apporte quelques livres et surtout du matériel de démonstrations électriques. La mode est alors de produire en public les expériences spectaculaires que permet l'électricité. Franklin, qui est d'une extrême habileté, améliore ces expériences et fait de nouvelles observations. Parmi celles-ci, celle du pouvoir des pointes pour décharger un corps électrisé, ce qui l'amène rapidement à imaginer la paratonnerre.

Franklin a un correspondant anglais, Peter Collinson, à qui il fait part de ses expériences. Celui-ci cherche à les faire publier par la "Royal Society" qui est l'Académie des Sciences anglaise. C'est un refus. Les scientifiques anglais ne veulent pas reconnaître comme l'un des leurs cet amateur, qui plus est des colonies d'Amérique.

Peter Collinson persiste et publie les lettres de Franklin à son compte. C'est un succès ! Le livre arrive même en France où il est traduit et tombe entre les mains du naturaliste Buffon. Celui-ci a l'idée de faire réaliser en public les expériences de franklin par son ami Dalibard qui s'est spécialisé dans ce domaine. Nouveau succès ! A tel point que le roi désire assister à ces expériences. Une séance spéciale est donc organisée pour Louis XV chez le Duc de Noailles à laquelle Guillaume Mazéas est impliqué en tant que bibliothécaire.

Enhardi, Dalibard décide de tenter l'expérience du paratonnerre que personne n'a réalisé jusqu'à présent. Elle est faire à Marly le 13 mai 1752. Une perche conductrice est dressée au passage d'un nuage d'orage et reçoit le premier éclair.

 

L'expérience de Marly

 

C'est alors la frénésie, chacun veut tenter l'expérience. Mazéas dresse lui-même une tige à son domicile et fait arriver un film conducteur dans sa chambre pour pouvoir continuer ses observations, même la nuit sans quitter son lit, si un nuage arrive.

 

Capter la foudre "étant au lit"

 

Il a surtout la bonne idée d'informer ses correspondants anglais du succès de l'expérience de franklin et dans le même temps de faire connaître ses propres expériences. Ces lettres auront deux intérêts :

-         d'abord de faire connaître à Franklin et à ses compatriotes le succès de l'expérience sur le tonnerre. Sa lettre est d'ailleurs en bonne place dans les œuvres complètes de Franklin.

-         Ensuite de le faire admettre comme membre à part entière de la Royal Society, ce qui est une promotion inespérée pour un jeune homme de 30 ans.

Plus tard, Franklin qui attendait la construction d'un clocher à Philadelphie pour tenter l'expérience, aura l'idée du cerf-volant, idée également mise en œuvre par de Romas en France.

 

L'expérience de Franklin

 

 

Cette période aura été la plus active de la vie de Mazéas. Il revient en Bretagne en 1759 à 39 ans comme chanoine de la cathédrale de Vannes. Il continue à s'intéresser aux sciences et en particulier aux sujets concernant sa province. Il fait par exemple une étude sur les cendres de goëmons et montre qu'elles peuvent être utilisée pour produire la soude dont on a besoin dans l'industrie du verre et du savon. Il offre ainsi un déboucher intéressant au travail des goëmoniers dont l'activité est déjà importante sur les côtes normandes et bretonnes.

Il ne connaîtra pas la révolution. Il meurt en 1776, il n'a que 55 ans.

 

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Pour en savoir plus sur le paratonnerre, Franklin et Guillaume Mazéas, voir :

 

Histoire de l'électricité.7. Le paratonnerre.

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L'exposition consacrée aux Savants bretons sous la révolution a eu une suite sous la forme d'un ouvrage publié aux éditions Ouest-France : La Bretagne des savants et des ingénieurs. 1750-1825. 1991.

 

 

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Pourtant n'est-il pas frustrant de constater qu'au bout de ce long chemin qui, partant de l'ambre de la Baltique, nous a menés jusqu'à cet électron si familier, nous en sommes arrivés à ne plus voir dans l'électricité qu'un chiffre associé à un insaisissable "quanton" ?

Ce n'est qu'un début, l'histoire continue.

L'électricité est une science récente. Elle donnera longtemps encore des raisons de s'émerveiller devant la complexité et la richesse du monde.

La résistance qu'elle offrira à la compréhension des chercheurs sera, pour eux, autant de défis à relever et d'occasions de développer leur intuition, leur intelligence et leur sensibilité. Nos successeurs des siècles à venir s'étonneront sans doute de la façon dont nous concevons ce qu'aujourd'hui nous appelons encore "électricité".

Puissent les quelques repères que nous avons voulu rassembler ici être utiles à nos contemporains pour comprendre le présent et à nos successeurs pour imaginer l'avenir.

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Cet article est extrait d'un ouvrage paru en juin 2009 chez Vuibert.

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                Nous avons noté le développement du télégraphe et du téléphone comme moteurs de l'industrie des piles et accumulateurs. Le début de l'éclairage électrique par les lampes à incandescence en est un autre tout aussi important.

La lumière électrique.

         "La Lumière Electrique" est le titre de la revue lancée le 15 avril 1879 par "l'Union des syndicats de l'électricité". C'est dire l'importance attribuée à cette nouvelle branche d'activité au moment où s'ouvre l'exposition de 1881.

         La lampe électrique a d'abord été une lampe à arc. Quand on approche, à faible distance, deux charbons soumis à une forte tension, un arc électrique jaillit qui dégage une vive lumière. Pour en faire un usage industriel plusieurs problèmes doivent être résolus.

         Premier problème : les charbons s'usent et l'écart entre les deux augmente jusqu'à ce que l'arc soit interrompu. Des régulateurs sont nécessaires afin de maintenir automatiquement les charbons dans leur position. Foucault, en France, en propose un qui connaîtra le succès. On lui doit aussi le choix de "charbons de cornue" (poudre de charbon issue des usines à gaz et fortement comprimée), bien plus résistants que de simples  tiges de charbon de bois jusqu'à présent utilisées.

         Second problème : la source de tension. Les premières installations utilisent des piles. La première de ce type à Paris est réalisée pour des effets de lumière sur la scène de l'Opéra construit par l'architecte Garnier et inauguré officiellement en 1875. Le sous-sol de l'Opéra abrite 360 piles Bunsen (piles à dépolarisant : Zinc amalgamé-acide sulfurique/charbon de cornue-acide nitrique) assemblées sous forme de six batteries de 60 éléments chacune. Les ouvriers chargés de leur entretien baignent dans une atmosphère acide combattue par les vapeurs d'ammoniac issues de soucoupes réparties dans la pièce.

Salle des batteries de piles Bunsen  dans le sous-sol de l'Opéra à Paris

         Une telle installation n'est à l'évidence pas adaptée à un éclairage à grande échelle. Celui-ci ne se développera qu'avec l'apparition des premières grosses génératrices.

         L'exposition internationale de 1878, à Paris, avait été l'occasion d'une première démonstration. Le 3 mai, vers huit heures du soir, trente deux globes de verre émaillé, placés le long de l'avenue de l'Opéra s'étaient allumés à la fois projetant une clarté douce et blanche que les observateurs comparaient à celle d'un beau clair de lune.

Les plus anciens se souvenaient avoir ressenti le même choc quand, soixante ans plus tôt, les premiers réverbères fonctionnant au gaz d'éclairage avaient été allumés sur la place du Carrousel. Aujourd'hui leur lumière paraissait rougeâtre et fumeuse et les rues proches de l'Opéra, qu'ils éclairaient, semblaient bien sombres comparées à la clarté de l'Avenue voisine. Moderne au début du siècle, l'éclairage au gaz de ville semblait soudain dépassé.

         Les lampes utilisées à Paris étaient équipées de "bougies de Jablochkoff", version récente et commode des lampes à Arc. Jablochkoff, ingénieur d'origine russe a trouvé le dispositif permettant de se passer de régulateur.

Bougie de Jablochkoff

Les deux charbons sont parallèles et portés par un support métallique. Ils sont séparés part un isolant à base de kaolin qui fond dès que l'arc l'atteint. Les deux charbons sont calibrés pour se consumer à la même vitesse : en courant continu, l'un a une section double, en courant alternatif ils sont identiques. Ils sont montés dans des globes de verre translucide afin de diffuser la lumière.

         Chaque bougie peut brûler pendant une heure et demie. Un support porte six bougies qu'un commutateur permet de mettre en œuvre à tour de rôle. Chaque candélabre dispose ainsi, au minimum, de 9 heures d'éclairage.

         Les 46 candélabres installés par la Compagnie Générale d'Electricité dans le quartier de l'Opéra et du Théâtre-Français sont alimentés en courant alternatif au moyen d'un nouveau type de machine Gramme.

         Le même système illumine les quais de la Tamise à Londres.

Eclairage à Londres en 1878

La démonstration réalisée à l'exposition internationale de 1878, porta ses fruits. Des ateliers, plusieurs places ou rues, des gares, l'hippodrome, adoptèrent le procédé. Les grands magasins en particulier y trouvèrent la solution aux incendies qui avaient ravagé plusieurs d'entre eux pour cause d'éclairage au gaz. Les grandes villes d'Europe et d'Amérique suivent le même mouvement.

Notons que le système donne un bon éclairage mais qu'il n'est pas sans danger. Les hautes tensions mises en jeu demandent des câbles bien isolés et des précautions d'usage qui en limitent la généralisation. De plus la lumière est intense et ne s'adapte qu'aux grands espaces. Il est hors de question de l'utiliser, à la place de l'éclairage au gaz, dans les appartements.

L'exposition de 1881 apporte une solution à ce problème de l'éclairage domestique : celle des lampes à incandescence.

Des lampes adaptées à chaque usage, qui peuvent fonctionner pendant plusieurs centaines d'heures, que l'on allume ou que l'on éteint en actionnant un simple commutateur, qui utilisent des tensions relativement basses… que rêver de mieux.

Les lampes Edison, Maxim, Swan … sont une des attractions de l'exposition.

Elles reposent toutes sur le même principe : un filament conducteur en carbone contenu dans une ampoule où on a réalisé le vide. On peut les utiliser isolément ou en équiper des lustres. Elles fonctionnent sous une tension faible (100 ou 50 volts pour les lampes Edison) mais consomment un courant de forte intensité (0,7 ampères pour les lampes Edison).

A : lampe Edison à filament de bambou du Japon carbonisé.

B : Lampe Maxim, carton Bristol carbonisé.

C : Lampe Swan, fil de coton carbonisé

Lustre Swan.

Edison est celui qui réussit le mieux sa publicité. Deux grandes salles lui sont consacrées où il présente l'essentiel de ses inventions : son téléphone et son télégraphe quadruplex qui permet de faire passer plusieurs messages en même temps dans les deux sens, ses lampes à incandescence et les machines qui les alimentent. Il a même l'habileté de faire réaliser sur place la fabrication des lampes à partir de tiges de bambou.

Chaque fabricant de lampes propose un système de distribution complet et, d'abord, les génératrices qui les alimentent.

Les nouvelles génératrices

Celle proposée par Edison doit pouvoir alimenter 1000 lampes c'est-à-dire fournir jusqu'à 700 ampères. Il faut donc limiter tout dégagement de chaleur dans la machine elle-même. Ainsi l'induit central ne sera pas constitué d'un bobinage de fil conducteur mais de barres de cuivre logées dans le noyau de fer doux du rotor et reliées à leurs extrémités par des disques conducteurs. Le noyau de fer doux sera lui-même constitué de disques de tôle de fer,  séparées par des feuilles de papier afin de limiter le dégagement de chaleur lié au phénomène d'hystérésis magnétique. Des innovations techniques encore utilisées aujourd'hui.

Génératrice Edison

                Ce sont les génératrices exposées, celles de Edison mais aussi de Gramme et de tous les autres participants, qui éclairent l'ensemble de l'exposition. Celle-ci apparaît comme une véritable féerie.

L'alimentation des lampes n'est cependant pas le seul usage des génératrices, le temps est venu des moteurs électriques.

La force motrice de l'électricité.

         Les moteurs électriques sont spectaculairement illustrés par leur application à la locomotion. Le premier Tramway électrique fait ainsi son apparition à Paris. Il circule entre la place de la Concorde et le Palais de l'Industrie. Avec le téléphone et les lampes à incandescence c'est la plus belle attraction de l'exposition.

Premier tramway électrique à Paris

Il est dû à Siemens qui en avait déjà présenté une version à l'exposition industrielle de Berlin en 1879. Les 500m de parcours sont réalisés en une minute. Son moteur est une machine Siemens identique à celle produisant du courant dans l'exposition. En effet, toutes ces machines ont la propriété d'être réversibles, tantôt moteur, tantôt génératrice.

         Du plus gros au plus petit : le moteur électrique peut aussi alimenter des machines à coudre, une récente invention fort utile dans laquelle s'est illustré l'Américain Singer.

         Le spécialiste de ces petits moteurs est G. Trouvé. Il en a également équipé un canot électrique dont la démonstration sur la Seine n'était pas passée inaperçue. Mais sa plus spectaculaire réussite est d'avoir équipé un ballon dirigeable miniature que les visiteurs pouvaient voir suspendu aux poutres de l'exposition.

         Long de 3m50, il était gonflé à l'hydrogène. Le moteur et l'accumulateur Planté qui l'alimentaient pesaient moins de 500g. L'hélice tournait à la vitesse de 6,5 tours à la seconde et pouvait propulser le dirigeable à la vitesse de 2m/s.

Après l'exposition de 1881

         Naturellement, le modèle réduit de dirigeable n'avait pas d'autre vocation que d'être un objet d'étude mais il fut fort remarqué et déjà il fit germer des projets.

Le 26 septembre 1884, les frères Tissandier s'élevaient au-dessus de Paris dans un dirigeable muni d'un moteur électrique où ils se livraient à quelques manœuvres puis se laissaient dériver sur un trajet de 25 km. 

Le 9 août 1884 un nouvel aérostat également équipé d'un moteur électrique, construit par les ateliers militaires de Chalais à Meudon, soulevait deux aéronautes et réussissaient une boucle de 7,6 km réalisée en 23 minutes.

1884 : premier vol en boucle d'un dirigeable muni d'un moteur électrique.

         1886 : cinq ans nous séparent de l'exposition universelle d'électricité et seulement deux ans du premier vol réalisé à Meudon. Jules Verne publie "Robur le Conquérant" qui, dans un scénario proche de "Vingt mille lieues sous les mers", met en scène deux membres d'un club aéronautique américain et leur serviteur, enlevés par un étrange et génial ingénieur, nouveau héros des temps modernes, dans un vaisseau du ciel, sorte d'hélicoptère dont la forêt d'hélices était actionnée par des moteurs électriques.

L'albatros de Robur le Conquérant

Jules Verne a-t-il visité l'exposition de 1881 ? Son texte, qui fait preuve d'une solide érudition scientifique, est une parfaite illustration de ce qui y était exposé.  Quand il décrit la machinerie électrique de l'engin volant il exprime, sous forme romanesque, les espoirs attendus de cette nouvelle technique et établit, tout en les imaginant franchis, la liste des obstacles dressés sur la route des savants et ingénieurs avant qu'ils s'en rendent parfaitement maîtres.

         " Ce n'est ni à la vapeur d'eau ou autres liquides, ni à l'air comprimé ou autres gaz élastiques, ni aux mélanges explosifs susceptibles de produire une action mécanique, que Robur a demandé la puissance nécessaire à soutenir et à mouvoir son appareil. C'est à l'électricité, cet agent qui sera, un jour, l'âme du monde industriel. D'ailleurs, nulle machine électromotrice pour le produire. Rien que des piles et des accumulateurs. Seulement, quels sont les éléments qui entrent dans la composition de ces piles, quels acides les mettent en activité ? C'est le secret de Robur. De même pour les accumulateurs. De quelle nature sont leurs lames positives et négatives ? On ne sait. L'ingénieur s'était bien gardé – et pour cause – de prendre un brevet d'invention. En somme, résultat non contestable : des piles d'un rendement extraordinaire, des acides d'une résistance presque absolue à l'évaporation ou à la congélation, des accumulateurs qui laissent très loin les Faure-Sellon-Volckmar, enfin des courants dont les ampères se chiffrent en nombres inconnus jusqu'alors. De là, une puissance en chevaux électriques pour ainsi dire infinie…

         Mais, il faut le répéter, cela appartient en propre à l'ingénieur Robur. Là-dessus il a gardé un secret absolu"

         Trouver ce secret, c'est sans doute le défi que nous lance Jules Verne. Défi relevé un siècle plus tard. C'est à nouveau la recette de piles et d'accumulateurs efficaces susceptibles d'équiper nos véhicules trop polluants, ou d'alimenter les sites isolés, que recherchent nos ingénieurs.

Eclairage, moteurs ne demandent donc qu'à se généraliser à condition que l'électricité puisse être distribuée.

L'électricité à domicile.

         Les fabricants de piles ou d'accumulateurs ont leur idée : distribuer l'électricité à domicile sous forme de  piles ou de batteries préalablement chargées.

         Les fabricants de génératrices ont aussi la leur : transporter l'électricité par fils à partir d'une usine centrale. 

Piles et accumulateurs ont eu, les premiers, leur période de succès. Des immeubles, des grands magasins ont installé dans leur sous-sol des systèmes ingénieux de piles Bunsen dont l'électrode de zinc ne plonge dans l'acide que pendant le temps de fonctionnement. Des piles qui "ne s'usent que si on s'en sert".

Ailleurs des accumulateurs au plomb sont livrés à domicile comme de vulgaires sacs de charbon. Le système ne résiste cependant pas à la livraison de l'électricité par fil. Il faudra attendre la fin du siècle pour que de gros accumulateurs trouvent à nouveau leur usage dans l'alimentation des premières voitures électriques qui apparaissent alors comme les véhicules de l'avenir.

Voiture électrique 1898

         Du côté de l'électricité par fils, plusieurs constructeurs se disputent le marché. Deux conceptions les opposent : courant continu ou courant alternatif ? Le courant continu ne rompt pas avec la tradition des piles et accumulateurs et a ses partisans. Le courant alternatif a un gros mérite : il permet l'utilisation de transformateurs et le transport de l'électricité sous haute tension, ce qui limite les pertes en ligne par effet thermique et permet le transport sur de longues distances.

Progressivement le courant alternatif s'impose et le paysage urbain se modifie. Les murs des immeubles se couvrent des fils du téléphone et de l'alimentation électrique dans un réseau d'autant plus touffu que chaque compagnie a ses propres lignes qui viennent s'ajouter à celles des concurrents.

         Une telle anarchie ne pouvait que provoquer des accidents. En 1889, les lecteurs de la revue La Nature peuvent lire le récit d'un accident effroyable à New-York. Un employé des télégraphes monté réparer une ligne se trouve pris, comme dans une toile d'araignée, dans un réseau alternant fils télégraphiques et fils d'alimentation électrique. Il est littéralement carbonisé devant plusieurs milliers de spectateurs impuissants. L'auteur de l'article signale qu'il ne se passe pas une semaine sans que de tels accidents ne se produisent à New-York. En dix huit mois huit personnes ont ainsi été tuées par des fils tombés à terre et dix sept autres ont été grièvement blessées.

         La solution serait naturellement des fils enterrés. C'est celle qu'impose le conseil municipal de Paris pour l'ensemble des compagnies qui s'activent à éclairer Paris à l'occasion de l'exposition internationale de 1889, celle qui voit se dresser la Tour Eiffel dont le sommet portera deux énormes projecteurs électriques.

Systèmes de câbles électriques souterrains à Paris en 1889

         Ce louable effort initial n'empêchera pas les fils aériens et les pylônes qui les supportent de devenir l'élément de paysage le plus caractéristique du siècle à venir.

Qui dit électricité à la maison dit factures et compteurs électriques. Au mois de juillet 1888, le conseil municipal de Paris vote une somme de  20 000 francs pour ouvrir un concours dont l'objet est la construction d'un compteur électrique. Le compteur devra pouvoir fonctionner à la fois en courant continu et en courant alternatif. Pour le courant alternatif il est précisé que l'appareil devra être du type "watt-heure-mètre", le watt-heure étant devenu une nouvelle unité pratique de mesure de l'énergie électrique.

Le côté sombre de la force électrique.

Janvier 1889 : L'électricité jusqu'à présent utilisée en médecine pour chercher à guérir, voir même ressusciter,  va l'être pour tuer.

A partir de cette date l'état de New-York a décidé de remplacer la mort par pendaison par l'électrocution des condamnés. Les industriels sont invités à proposer le meilleur procédé qui sera évalué par la Société médico–légale de New-York.  Il est indiqué que des tensions de 1000 à 1500 volts doivent être utilisées à des fréquences de 300 périodes par seconde. Le rapport du comité chargé du dossier recommande des "électrodes de 2,5 à 10 cm de diamètre couvertes d'une mince couche d'éponge et de peau de chamois imbibée d'une solution légère de sel commun". Elle précise aussi que le condamné doit être assis.

Le "Scientific Americain" du début de l'année 1889, rend compte des expériences menées en décembre 88 au laboratoire de Edison qui est l'un des inspirateurs de la loi. Celui-ci teste des tensions inférieures à celles proposées. Un veau de 57kg se relève après un choc administré par une tension de 50 volts mais meurt au bout de 8 secondes quand la tension est de 770 volts. Un cheval de 590kg meurt également après avoir été soumis pendant 25 secondes à une tension de 700 volts. On se propose même de tuer, par le même procédé, l'éléphant "Chief", le plus grand de l'état de New–York, qui est devenu dangereux.

Bientôt un condamné doit être exécuté et son avocat proteste contre l'utilisation de la "chaise électrique" estimant que ce moyen amenait une mort lente et douloureuse, ce qui était contraire à la constitution. Edison est formel : il sait par expérience qu'un homme ne peut pas résister à une tension alternative de quelques centaines de volts.

La première exécution est faite le 6 août 1890. Le condamné, William Kemmler, a attendu 14 mois son exécution. La revue La Nature décrit l'installation retenue. C'est une génératrice à courants alternatifs Westinghouse. Edison doit se contenter de voir ses lampes utilisées pour le tableau de commande. Une vingtaine d'entre elles indiqueront par leur éclat que la tension de 1000 volts nécessaire est bien atteinte et s'éteindront au moment de la décharge suivant un scénario qui deviendra classique par la suite.

L'exécution de William Kemmler en 1890

L'exécution se passe mal. Après 17 secondes de passage du courant le condamné émet des râles de souffrance. Il faut remettre la tension. La question se pose : fau-t-il continuer à utiliser ce procédé ?

Le docteur A.P.Southwick, le père de la loi, affirme que Kemmler est mort sans souffrir et défend la méthode. Le fournisseur de la dynamo et la société Westinghouse se défendent : elle a été mal installée. Simplement posée sur le sol, elle vibrait et se déplaçait au point même de risquer de perdre la courroie qui la reliait à la machine à vapeur.

Edison en profite pour se rappeler au bon souvenir des autorités. Il rappelle qu'il est opposé à la peine de mort et que c'est par humanité qu'il a proposé l'usage de l'électricité. Il reproche aux médecins d'avoir fixé les électrodes sur la tête et la colonne vertébrale de façon à s'attaquer au cerveau du condamné alors que dans toutes les morts accidentelles par électrocution, le courant était passé par les mains provoquant l'arrêt cardiaque. Il ajoute d'autre part que si les contacts avaient été bons, une tension plus faible aurait été suffisante car les 1300 volts appliqués auraient dû littéralement carboniser le condamné.

La revue La Nature qui relate l'évènement fait remarquer que la polémique n'est sans doute pas étrangère au fait que Edison préconise la distribution de l'électricité par basse tension alors que Westinghouse préconise les hautes tensions.

La mort par l'électricité aura une longue carrière aux USA, émaillée  des récits horribles de corps torturés. La mort par injection chimique actuellement proposée, à nouveau sous prétexte d'humanité, provoque les mêmes débats qui ne s'arrêteront qu'avec la fin, que l'on ne peut que souhaiter proche, de la peine de mort aux USA.

Les sciences et les techniques sont de plus en plus confrontées à l'usage qui en est fait. La même technique qui peut faire progresser l'humanité peut aussi devenir un instrument de barbarie. Les exemples se multiplieront dans le siècle suivant.

Quel futur pour l'électricité ?

Un départ aussi fulgurant que celui de la science électrique et des techniques qu'elle a fait naître ne pouvait qu'inspirer les prophéties.

Edouard Hospitalier dans La Nature (1882, premier semestre) imagine l'usage à venir des accumulateurs :

"Les études sont dirigées aujourd'hui du côté des accumulateurs, et l'on peut espérer que, on sera arrivé à les construire assez légers pour pouvoir faire fonctionner des véhicules pendant quelques heures à l'aide de l'électricité emmagasinée. Il sera facile alors d'établir en certains points de la capitale de véritables relais où l'on viendra recharger les accumulateurs en les branchant sur la canalisation générale de la distribution. On aura ainsi réalisé le cheval de fiacre électrique et la nourriture électrique.

         Nous n'en sommes pas encore là au point de vue de la pratique, mais combien d'années encore cette utopie mettra-t-elle à devenir une réalité."

         Combien d'années ? E. Hospitalier, comme ses contemporains, était certain que l'électricité était l'énergie de l'avenir et avec elle la locomotion électrique. C'était compter sans le pétrole dont on commençait seulement à imaginer l'usage possible dans ces moteurs à explosion dont le premier brevet avait été déposé par les frères Niepce en 1807 à un moment où ils ne disposaient pas encore du combustible idéal (leur prototype fonctionnait à la poudre de lycopode, spores d'un champignon). Un siècle plus tard, effet de serre et épuisement des ressources combinés, l'idée de la voiture électrique, à condition que la production d'électricité  ne soit  pas elle-même source de pollution, intéresse à nouveau pouvoirs publics et industriels.

         Les idées ne manquaient déjà pas au siècle de l'avant-pétrole. Louis Figuier, rendant compte de l'exposition de 1881 dans L'année Scientifique de 1882, expose les siennes : utiliser les énergies des chutes d'eau, des marées, des fleuves.

         "Créer de l'électricité par la force primitive, transporter cette électricité à distance au moyen d'un fil, et à cette distance changer de nouveau cette électricité en mouvement… des forces naturelles aujourd'hui perdues pourraient être utilisées en les transportant à une distance plus ou moins grande.

         Il y a par exemple, dans les Alpes, dans les Pyrénées, dans les Apennins, dans les Andes, d'immenses chutes d'eau qui pourraient produire de grands effets mécaniques, et qui sont perdues parce que l'on n'a pas le moyen de les utiliser sur place. Transportez cette force du pied des Alpes, par exemple, jusque dans une usine située à 20 ou 30 kilomètres, et vous disposerez ainsi d'une puissance qui était perdue, qui ne sera pas assurément gratuite, mais qui sera un accroissement de votre énergie mécanique.

         Les marées sont une force naturelle immense, mais dont on ne peut tirer parti sur les rivages de l'océan. Transformez en électricité, au moyen d'une machine dynamo-électrique, la force mécanique de l'influx marin recueilli sur les côtes, et transportez au loin cette électricité… et vous aurez tiré parti d'une force naturelle qui jusqu'ici n'a jamais pu être utilisée sérieusement…

         La roue d'un modeste moulin peut même être employée à produire de l'électricité, et cette électricité transporter au loin l'énergie mécanique de la chute d'eau"

         Nous trouvons dans cette énumération une grande partie des énergies renouvelables que nous exploitons aujourd'hui ou que nous souhaitons exploiter dans l'avenir. L'énergie des chutes d'eau a déjà largement été mise à profit. Celle des barrages sur les fleuves commence à atteindre ses limites car la terre qu'ils engloutissent est, elle aussi, un bien précieux. Quelques usines marée-motrices fonctionnent mais surtout on commence à peine à expérimenter l'usage d'hydroliennes utilisant les courants marins.

En y ajoutant l'énergie du vent et surtout l'énergie solaire on aura complété la panoplie des alternatives aux énergies fossiles qui constitueront probablement une part essentielle de notre futur.

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Cet article fait partie d'un ouvrage à paraître en juin 2009 ches Vuibert

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On peut lire aussi :

Histoire de l'électricité. Histoire des unités électriques.

Histoire de l'électricité. Les voitures électriques dans le Paris de la belle époque.

Au moment où le tramway fait l'actualité parisienne couplé avec le problème de la pollution de l'air et celui de la lutte contre l'effet de serre, il peut être amusant de se pencher sur l'histoire des débuts de la locomotion automobile à Paris. Une période où la principale pollution était due au crottin de cheval, où le pétrole servait essentiellement à alimenter les lampes et où les tenants du "progrès" espéraient beaucoup de la traction électrique.

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