Il faut admettre que la science a ses castes. L'homme dont l'appareil principal est l'équation différentielle regarde de haut celui qui utilise un galvanomètre, et celui-ci à son tour regarde de haut ceux qui manipulent des choses collantes et malodorantes dans des éprouvettes.
Gilbert Newton Lewis était un chimiste physique américain et ancien doyen du Collège de chimie de l'Université de Californie, Berkeley. Lewis est surtout connu pour sa découverte de la liaison covalente et son concept de paires d'électrons; ses structures de points de Lewis et ses autres contributions à la théorie de la liaison de valence ont façonné les théories modernes de la liaison chimique. Lewis a contribué avec succès à la thermodynamique chimique, à la photochimie et à la séparation des isotopes, et est également connu pour son concept des acides et des bases. Lewis a également mené des recherches sur la relativité et la physique quantique, et en 1926, il a inventé le terme « photon » pour désigner la plus petite unité d'énergie rayonnante.
G. N. Lewis est né en 1875 à Weymouth, Massachusetts. Après avoir obtenu son doctorat en chimie de l'Université Harvard et étudié à l'étranger en Allemagne et aux Philippines, Lewis a déménagé en Californie en 1912 pour enseigner la chimie à l'Université de Californie, Berkeley, où il est devenu doyen du Collège de chimie et a passé le reste de sa vie. En tant que professeur, il a intégré les principes thermodynamiques dans le programme d'études en chimie et a réformé la thermodynamique chimique d'une manière mathématiquement rigoureuse et accessible aux chimistes ordinaires. Il a commencé à mesurer les valeurs d'énergie libre liées à plusieurs processus chimiques, tant organiques qu'inorganiques. En 1916, il a également proposé sa théorie de la liaison et ajouté des informations sur les électrons dans le tableau périodique des éléments chimiques. En 1933, il a commencé ses recherches sur la séparation des isotopes. Lewis a travaillé avec l'hydrogène et a réussi à purifier un échantillon d'eau lourde. Il a ensuite développé sa théorie des acides et des bases, et a travaillé en photochimie au cours des dernières années de sa vie.
Bien qu'il ait été nominé 41 fois, G. N. Lewis n'a jamais remporté le prix Nobel de chimie, ce qui a entraîné une controverse majeure du prix Nobel. D'autre part, Lewis a encadré et influencé de nombreux lauréats du prix Nobel à Berkeley, notamment Harold Urey, prix Nobel 1934, William F. Giauque, prix Nobel 1949, Glenn T. Seaborg, prix Nobel 1951, Willard Libby, prix Nobel 1960, Melvin Calvin, prix Nobel 1961, et ainsi de suite, transformant Berkeley en l'un des centres de chimie les plus prestigieux du monde. Le 23 mars 1946, Lewis a été retrouvé mort dans son laboratoire de Berkeley, où il travaillait avec du cyanure d'hydrogène; beaucoup ont postulé que la cause de sa mort était un suicide. Après la mort de Lewis, ses enfants ont suivi la carrière de leur père en chimie, et le Lewis Hall sur le campus de Berkeley porte son nom.
Biographie
Jeunesse
Lewis est né en 1875 et a grandi à Weymouth, Massachusetts, où existe une rue nommée en son honneur, G.N. Lewis Way, à côté de Summer Street. De plus, l'aile du département de chimie du nouveau Weymouth High School a été nommée en son honneur. Lewis a reçu son éducation primaire à domicile de la part de ses parents, Frank Wesley Lewis, un avocat au caractère indépendant, et Mary Burr White Lewis. Il savait lire à l'âge de trois ans et était intellectuellement précoce. En 1884, sa famille a déménagé à Lincoln, Nebraska, et en 1889, il a reçu sa première éducation formelle à l'école préparatoire de l'université.
En 1893, après deux ans à l'Université du Nebraska, Lewis a été transféré à l'Université Harvard, où il a obtenu son B.S. en 1896. Après un an d'enseignement à la Phillips Academy à Andover, Lewis est retourné à Harvard pour étudier avec le chimiste physique T. W. Richards et a obtenu son doctorat en 1899 avec une thèse sur les potentiels électrochimiques. Après un an d'enseignement à Harvard, Lewis a reçu une bourse de voyage en Allemagne, le centre de la chimie physique, et a étudié avec Walther Nernst à Göttingen et avec Wilhelm Ostwald à Leipzig. En travaillant dans le laboratoire de Nernst, Lewis a apparemment développé une inimité à vie avec Nernst. Au cours des années suivantes, Lewis a commencé à critiquer et à dénoncer son ancien professeur à de nombreuses occasions, appelant le travail de Nernst sur son théorème thermique « un épisode regrettable dans l'histoire de la chimie ». Un ami suédois de Nernst, Wilhelm Palmær, était membre du Comité du prix Nobel de chimie. Il y a des preuves qu'il a utilisé les procédures de nomination et de rapport du prix Nobel pour bloquer un prix Nobel pour Lewis en thermodynamique en nominant Lewis pour le prix trois fois, puis en utilisant sa position en tant que membre du comité pour rédiger des rapports négatifs.
Harvard, Manille et MIT
Après son séjour dans le laboratoire de Nernst, Lewis est retourné à Harvard en 1901 en tant que maître de conférences pendant trois ans de plus. Il a été nommé maître de conférences en thermodynamique et électrochimie. En 1904, Lewis a reçu un congé et est devenu surintendant des poids et mesures pour le Bureau de la science à Manille, Philippines. L'année suivante, il est retourné à Cambridge, Massachusetts, lorsque le Massachusetts Institute of Technology MIT l'a nommé à un poste de professeur, dans lequel il a eu la chance de rejoindre un groupe de chimistes physiques exceptionnels sous la direction d'Arthur Amos Noyes. Il est devenu professeur adjoint en 1907, professeur associé en 1908 et professeur titulaire en 1911.
Université de Californie, Berkeley
G. N. Lewis a quitté le MIT en 1912 pour devenir professeur de chimie physique et doyen du Collège de chimie à l'Université de Californie, Berkeley. Le 21 juin 1912, il a épousé Mary Hinckley Sheldon, fille d'un professeur de langues romanes de Harvard. Ils ont eu deux fils, qui sont tous deux devenus professeurs de chimie, et une fille. En 1913, il a adhéré à Alpha Chi Sigma à Berkeley, la fraternité professionnelle de chimie.
Pendant son séjour à Berkeley, Lewis a encadré et influencé de nombreux futurs lauréats du prix Nobel, notamment Harold Urey, prix Nobel 1934, William F. Giauque, prix Nobel 1949, Glenn T. Seaborg, prix Nobel 1951, Willard Libby, prix Nobel 1960, Melvin Calvin, prix Nobel 1961, et ainsi de suite. Grâce à ses efforts, le Collège de chimie de Berkeley est devenu l'un des meilleurs centres de chimie du monde. En 1913, il a été élu à l'Académie nationale des sciences. Il a démissionné en 1934, refusant d'énoncer la raison de sa démission; on a spéculé que c'était dû à un différend sur la politique interne de cette institution ou à l'échec de ceux qu'il avait nominés à être élus. Sa décision de démissionner a peut-être été motivée par du ressentiment concernant l'attribution du prix Nobel 1934 de chimie à son étudiant, Harold Urey, pour la découverte du deutérium, un prix que Lewis a presque certainement pensé qu'il aurait dû partager pour son travail sur la purification et la caractérisation de l'eau lourde.
Décès
Le 23 mars 1946, un étudiant diplômé a trouvé le corps sans vie de Lewis sous un établi de laboratoire à Berkeley. Lewis travaillait sur une expérience avec du cyanure d'hydrogène liquide, et des vapeurs mortelles d'une ligne brisée s'étaient échappées dans le laboratoire. Le coroner a déterminé que la cause du décès était une maladie des artères coronaires, en raison de l'absence de tout signe de cyanose, mais certains croient que c'était peut-être un suicide. Le professeur émérite de Berkeley William Jolly, qui a rapporté les différents points de vue sur la mort de Lewis dans son histoire de 1987 du Collège de chimie de UC Berkeley, From Retorts to Lasers, a écrit qu'un supérieur du département croyait que Lewis s'était suicidé.
Si la mort de Lewis était effectivement un suicide, une explication possible était la dépression causée par un déjeuner avec Irving Langmuir. Langmuir et Lewis avaient une longue rivalité, remontant aux extensions par Langmuir de la théorie de Lewis sur la liaison chimique. Langmuir avait reçu le prix Nobel de chimie 1932 pour son travail sur la chimie des surfaces, tandis que Lewis n'avait pas reçu le prix malgré avoir été nominé 41 fois. Le jour de la mort de Lewis, Langmuir et Lewis s'étaient rencontrés pour déjeuner à Berkeley, une réunion que Michael Kasha n'a rappelée que des années plus tard. Les collègues ont rapporté que Lewis était revenu du déjeuner d'humeur sombre, avait joué une partie morose de bridge avec des collègues, puis était retourné travailler dans son laboratoire. Une heure plus tard, il a été retrouvé mort. Les documents de Langmuir à la Bibliothèque du Congrès confirment qu'il était sur le campus de Berkeley ce jour-là pour recevoir un diplôme honorifique.
Lewis Hall à Berkeley, construit en 1948, porte son nom en son honneur.
Réalisations scientifiques
Thermodynamique
La plupart des intérêts durables de Lewis ont pris naissance au cours de ses années à Harvard. Le plus important était la thermodynamique, un sujet dans lequel Richards était très actif à cette époque. Bien que la plupart des relations thermodynamiques importantes aient été connues en 1895, elles étaient considérées comme des équations isolées, et n'avaient pas encore été rationalisées en tant que système logique, à partir duquel, donnée une relation, le reste pourrait être dérivé. De plus, ces relations n'étaient pas exactes, s'appliquant uniquement aux systèmes chimiques idéaux. C'étaient deux problèmes remarquables de la thermodynamique théorique. Dans deux longs et ambitieux articles théoriques en 1900 et 1901, Lewis a tenté de fournir une solution. Lewis a introduit le concept thermodynamique d'activité et a inventé le terme « fugacité ». Sa nouvelle idée de fugacité, ou « tendance à s'échapper », était une fonction avec les dimensions de la pression qui exprimait la tendance d'une substance à passer d'une phase chimique à une autre. Lewis croyait que la fugacité était le principe fondamental à partir duquel un système de relations thermodynamiques réelles pouvait être dérivé. Cet espoir n'a pas été réalisé, bien que la fugacité ait trouvé une place durable dans la description des gaz réels.
Les premiers documents de Lewis révèlent également une conscience inhabituellement avancée des idées de J. W. Gibbs et P. Duhem sur l'énergie libre et le potentiel thermodynamique. Ces idées étaient bien connues des physiciens et des mathématiciens, mais pas de la plupart des chimistes praticiens, qui les considéraient comme ésotériques et inapplicables aux systèmes chimiques. La plupart des chimistes se fiaient à la thermodynamique familière de la chaleur et de l'enthalpie de Berthelot, Ostwald et Van't Hoff, et à l'école calorimétriques. La chaleur de réaction n'est bien sûr pas une mesure de la tendance des changements chimiques à se produire, et Lewis a réalisé que seule l'énergie libre et l'entropie pouvaient fournir une thermodynamique chimique exacte. Il a dérivé l'énergie libre de la fugacité; il a tenté, sans succès, d'obtenir une expression exacte pour la fonction entropie, qui en 1901 n'avait pas été définie à basses températures. Richards aussi a essayé et échoué, et ce n'est qu'en 1907 que Nernst a réussi qu'il a été possible de calculer les entropies sans ambiguïté. Bien que le système basé sur la fugacité de Lewis n'ait pas duré, son intérêt précoce pour l'énergie libre et l'entropie s'est avéré très fructueux, et une grande partie de sa carrière a été consacrée à rendre ces concepts utiles accessibles aux chimistes praticiens.
À Harvard, Lewis a également écrit un article théorique sur la thermodynamique du rayonnement du corps noir dans lequel il a postulé que la lumière a une pression. Il a révélé plus tard qu'il avait été découragé de poursuivre cette idée par ses collègues plus âgés et plus conservateurs, qui ne savaient pas que Wilhelm Wien et d'autres poursuivaient avec succès la même ligne de pensée. L'article de Lewis est resté inédit; mais son intérêt pour le rayonnement et la théorie quantique, et plus tard pour la relativité, est né de cet effort précoce et avorté. Dès le début de sa carrière, Lewis s'est considéré comme chimiste et physicien.
Théorie de la valence
Vers 1902, Lewis a commencé à utiliser des dessins inédits d'atomes cubiques dans ses notes de cours, dans lesquels les coins du cube représentaient les positions électroniques possibles. Lewis a cité plus tard ces notes dans son article classique de 1916 sur la liaison chimique, comme étant la première expression de ses idées.
Un troisième intérêt majeur qui est né au cours des années de Lewis à Harvard était sa théorie de la valence. En 1902, en essayant d'expliquer les lois de la valence à ses étudiants, Lewis a conçu l'idée que les atomes étaient constitués d'une série concentrique de cubes avec des électrons à chaque coin. Cet « atome cubique » expliquait le cycle de huit éléments du tableau périodique et était en accord avec la croyance largement acceptée que les liaisons chimiques se formaient par transfert d'électrons pour donner à chaque atome un ensemble complet de huit. Cette théorie électrochimique de la valence a trouvé son expression la plus élaborée dans l'œuvre de Richard Abegg en 1904, mais la version de Lewis de cette théorie était la seule à être incarnée dans un modèle atomique concret. Encore une fois, la théorie de Lewis n'intéressait pas ses mentors de Harvard, qui, comme la plupart des chimistes américains de cette époque, n'avaient pas le goût de telles spéculations. Lewis n'a pas publié sa théorie de l'atome cubique, mais en 1916, elle est devenue une partie importante de sa théorie de la liaison de paire d'électrons partagés.
En 1916, il a publié son article classique sur la liaison chimique « The Atom and the Molecule » dans lequel il a formulé l'idée de ce qui serait connu sous le nom de liaison covalente, composée d'une paire d'électrons partagée, et il a défini le terme molécule impaire, le terme moderne est radical libre, quand un électron n'est pas partagé. Il a inclus ce qui était connu sous le nom de structures de points de Lewis ainsi que le modèle d'atome cubique. Ces idées sur la liaison chimique ont été développées par Irving Langmuir et sont devenues l'inspiration pour les études sur la nature de la liaison chimique de Linus Pauling.
Acides et bases
En 1923, il a formulé la théorie des paires d'électrons des réactions acido-basiques. Dans cette théorie des acides et des bases, un « acide de Lewis » est un accepteur de paires d'électrons et une « base de Lewis » est un donneur de paires d'électrons. Cette année-là, il a également publié une monographie sur ses théories de la liaison chimique
