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Arrhenius naît en Suède à Vik (aussi orthographié Wik ou Wijk) près d'Uppsala, de Gustav Svante Arrhenius et Carolina Thunberg. Son père, après avoir étégéomètre à l'université d'Uppsala, y a obtenu une place de superviseur.
À l'âge de trois ans, le petit Arrhenius apprend à lire tout seul, et en regardant son père additionner des nombres dans son livre de compte, il devient rapidement un prodige en arithmétique, compétence qu'il a très vite pu accroître, disposant de masses de données pour étudier les lois et relations mathématiques.
À l'âge de huit ans, il entre dans l'école locale « de la cathédrale » et s'y distingue dans le domaine de la physique et des mathématiques. Il est en1876 l'étudiant le mieux noté et le plus jeune de son niveau.
Il a été marié deux fois, durant deux ans (de 1894 à 1896) à Sofia Rudbeck (une de ses anciennes élèves), qui lui donna un fils, puis en 1905 à Maria Johansson (qui lui donna deux filles et un garçon). Son filsOlof Vilhelm Arrhenius est devenu un chimiste réputé en Suède. Son petit-filsGustaf Olof Svante Arrhenius a également fait carrière dans les sciences (océanographe, biogéochimiste, exobiologiste). Tous deux ont étudié et fait progresser des sujets étudiés ou défrichés par leur père et grand-père.
À l’université d'Uppsala, l'étudiant Svante Arrhenius se montre insatisfait de son professeur principal en physique, et le seul professeur qu'il juge acceptable et prometteur dans son enseignement est le chimistePer Thodor Cleve.
En 1883, il publie son mémoire en français de 150 pages intituléRecherches sur la conductibilité galvanique des électrolytes[2]. Ce mémoire divisée en deux parties, d'abord sur laconductibilité des solutions aqueuses extrêmement diluées déterminée au moyen du dépolarisateur (45 électrolytes), puis sur lathéorie chimique des électrolytes (56 propositions) annonce une théorie de la dissociation. Ce travail de laboratoire et ces propositions lui permettent d’obtenir a minima son diplôme de doctorat en 1884. En effet, sa soutenance de thèse n’impressionne nullement les membres du jury (dont son ancien professeurPer Teodor Cleve) qui acceptent de lui accorder son doctorat non pour ses résultats mais pour son simple labeur de recherche, avec la note la plus faible et la mention de quatrième classe dite "passable" rédigée en latinnon sine laude approbatur. L'hostilité des chimistes, largement prévisibles dès le choix du thème, ne lui ouvre aucune carrière académique. C'est cette même étude, au fondement de la chimie ionique, qui lui vaudra leprix Nobel de chimie de 1903« en reconnaissance des services extraordinaires qu'il a rendus à l'avancement de la chimie par sa théorie sur ladissociation électrolytique[1] ».
Arrhenius, conscient de cette hostilité généralisée, fait parvenir des copies de sa thèse à divers savants européens qui œuvrent à de nouvelles approches de la chimie physique, commeRudolf Clausius,Wilhelm Ostwald, etJ. H. van 't Hoff. Ces derniers sont impressionnés par l'audace théorique et félicite le jeune docteur, à l'inverse des professeurs d’Arrhenius.W. Ostwald, enthousiaste vient à Uppsala rencontrer Arrhenius, lui demandant de se joindre à son équipe de recherche et offrant une chaire à Riga. Mais, paradoxalement, l'invitation est déclinée. Arrhenius qui sait utiliser lettres de félicitations et invitations étrangères préfère rester dans son pays natal. Il parvient à obtenir un poste de docent à l'université d'Uppsala, qui réplique ainsi aux intrusions étrangères et lui permettre de donner une forme achevée à sa théorie. Il peut aussi s’occuper de son père gravement malade, mais celui-ci décède en 1885.
Photographie de 1887. Debout (à partir de la gauche) : Nernst, Streintz,Arrhenius, Hiecke. Assis (idem): Aulinger, Ettingshausen, Boltzmann, Klemencic, Hausmanninge.
Il refuse un poste dans l'Empire allemand pour rentrer en Suède en 1890. Il travaille d'abord à l'Institut royal de technologie de Stockholm, en tant que professeur, puis recteur à l'école technique supérieure en 1895. En 1891, il est nommémaître de conférences à laStockholms Högskola (aujourd'hui université de Stockholm), il y est promu en 1895 professeur de physique, avec beaucoup d'opposition de ses pairs car il n'est pas physicien, mais physico-chimiste, et enfin recteur en 1896.
Arrhenius devient ensuite professeur de chimie à l’université de Stockholm en 1895. Il est accepté à l’Académie royale des sciences de Suède en 1901. Sonprix Nobel de chimie, remis en 1903, accroît la reconnaissance de ses pairs, et en 1905, il est nommé à la direction de l’« Institut Nobel de chimie physique », spécialement créé pour lui, ce qui lui permet d'être responsable de l'attribution du prix Nobel dans son champ de compétence.
Son nom reste attaché à laloi d'Arrhenius qui rend compte de la variation de vitesse des réactions chimiques avec la température et qu’il a formulée en 1889 dans son article intitulé « On the velocity of the inversion of cane sugar by acids ».
Ses premiers travaux de recherche portent sur laconductivité des solutions d’électrolytes. Il rédige ses fameusesRecherches sur la conductibilité galvanique des électrolytes qui préfigure la théorie de la dissociation. Celle-ci postule que les composés chimiques en solution dans une solution électrolytique (conductrice de charges électriques) sont dissociés enions, et ce même en l’absence de courant électrique traversant la solution.
Cinquante-six hypothèses sont présentées et discutées dans sa première thèse soutenue en 1884. La plupart sont encore acceptées aujourd’hui, telles quelles ou avec des modifications mineures. Le plus important dans sa thèse est l’idée que ni les sels purs ni l'eau pure ne sont conducteurs, mais qu’une solution de sels l’est. L'explication d’Arrhenius est que lors de sa dissolution, le sel se dissocie en particules chargées (queMichael Faraday avait nommé « ions » quelques années avant). Faraday avait la conviction que les ions étaient produits par le processus d’électrolyse. Arrhenius a posé l'hypothèse que même en l’absence decourant électrique, les solutions salines contenaient des ions, et que les réactions chimiques en solution étaient le fait de réactions entre ions. Pour les électrolytes forts, on pense toujours que c'est le cas, mais cette théorie a été modifiée (parPeter Debye etErich Hückel) pour prendre en compte le comportement des électrolytes faibles.
En 1884, dans le développement logique de sa théorie sur les ions, Arrhenius propose aussi une définition des acides et des bases, estimant qu'en solution aqueuse, les substances acides produisent des ions d'hydrogène, alors que les bases produisent des ions hydroxyde. La force des acides et des bases, associée à un coefficient d'activité (ionisation) en est aussi un corollaire, si la notion de liaison est cohérente
En 1889, Arrhenius postule également que le degré de dissociation augmente avec la dilution de la solution, après avoir observé que les réactions chimiques gagnent en vitesse en fonction de la température de la solution, et ceci, de façon proportionnelle à la concentration des molécules activées. Il en tire une loi de variation de la constante de vitesse d’une réaction chimique en fonction de la température.
La théorie d'Arrhenius et surtout ses premières approches entre 1883 et 1887 mettent à l'épreuve les considérations sur les équilibres, décrits par laloi de Guldberg et Waage, et les vues deBerthelot sur l'effet thermique des réactions. Mais cette théorie est la fille indirecte des études détaillées sur les solutions salines, perfectionnées dès 1880 par Van 't Hoff et Raoult proposant la théorie des propriétésosmotiques,tonométriques,cryoscopiques etébulliométriques[3].
Elle est d'abord mal reçue par lacommunauté scientifique des années 1880, en particulier celle des chimistes, qui la considère comme fausse. Elle sera peu à peu vérifiée et acceptée pour finalement former l'une des pierres angulaires de la chimie physique et de l’électrochimie modernes.
Voulant comprendre et expliquer le cycle desglaciations, Svante Arrhenius a élaboré une théorie qui relie l’augmentation du CO2 atmosphérique à une augmentation sensible des températures terrestres en raison d'un « effet de serre » dû à la vapeur d’eau et à l'acide carbonique (CO2 qui se dissout dans les gouttelettes formées lorsque lavapeur d'eau se condense). Il a été influencé dans ce travail par d'autres chercheurs, dontJoseph Fourier[4].
Dans un article intituléDe l'influence de l'acide carbonique dans l'air sur la température au sol, publié en 1896[4], il estime qu'un doublement du taux de CO2 causerait un réchauffement d'environ5 °C (soit un peu plus que les prévisions de2 à 4,5 °C faites par leGIEC plus de cent ans plus tard, en 2007). Une réduction de moitié du CO2 atmosphérique diminuerait quant à elle la température moyenne de la surface du globe de4 à 5 °C[5]. Arrhenius s’attendait à ce que le taux de CO2 double, mais au rythme de son temps, c’est-à-dire en environ 3 000 ans d’après ses calculs. Au rythme actuel, cela prendra un siècle seulement selon les calculs du GIEC.
Les laborieux calculs d'Arrhenius se sont plus tard montrés erronés, mais s’appuyant sur la « loi de Stefan-Boltzmann », il a formulé une première loi sur l'effet de serre, dont la forme originale est :« Si la quantité d’acide carbonique augmente en progression géométrique, l’augmentation de la température suivra, presque avec une progression arithmétique. » (« If the quantity of carbonic acid increases in geometric progression, the augmentation of the temperature will increase nearly in arithmetic progression »), loi qui n'a pas été depuis invalidée, mais qui a été simplifiée dans son expression par G. Myhre et ses collègues en 1998 avec la formule suivante :
En 1900,Knut Ångström, qui a publié le premier spectre moderne infrarouge du CO2 (avec deux bandes d'absorption), critique les valeurs élevées d'absorption calculées par Arrhenius pour le CO2. Arrhenius lui répond vivement en 1901[6], rejetant la critique. Deux ans après, il aborde brièvement le sujet dans un ouvrage technique (Lehrbuch der kosmischen Physik, 1903). Trois ans plus tard, il publie un long texte de vulgarisation, formulationcosmogonique présentant sa vision de l'apparition de la terre et de la vie sur terre « Världarnas utveckling » (1906) qui sera traduit l'année suivante en allemand sous le titreDas Werden der Welten[7], 1907), puis en anglais (Worlds in the Making, the Evolution of the Universe, New York, London, Harper, 1908)[8]. Dans ce texte, il suggère que les émissions humaines de CO2 devraient être suffisantes pour prémunir le monde d'une nouvelle ère glaciaire. Il y estime qu'une terre plus chaude serait nécessaire pour nourrir la population humaine qui augmente rapidement. Il présente très clairement un monde plus chaud comme un changement positif. À partir de ce moment, sa théorie sur l'effet de serre gagne de l'attention.
Néanmoins, jusqu'aux années 1960, la plupart des scientifiques vont considérer cet effet de serre comme ne pouvant plausiblement influencer les cycles glaciaires queMilutin Milankovitch a modélisés d’une manière très satisfaisante sur la base des changements d'orbite de la Terre. La théorie de Milankovitch s’est en effet avérée être puissamment prédictive à rebours, pour expliquer les glaciations qui ont touché la terre depuis plusieurs millions d'années. Ceforçage orbital est admis de nos jours comme premier facteur climatique, le CO2 étant néanmoins reconnu comme élément amplificateur (boucle de rétroaction positive).
Au printemps 1922, il déclare : « Nous avons consommé autant de charbon fossile en dix ans que l'homme en a brûlé durant tout le temps passé. […] Il devient nécessaire de trouver d'autres sources d'énergie, afin que la civilisation du monde ne s'effondre pas lorsque lescombustibles fossiles seront sur le point d'être épuisés »[9].
Précurseur en matière de modélisation de la diversité biologique
Arrhenius fut un scientifique très éclectique. Très jeune, il s’est notamment intéressé aux facteurs qui contraignent ou favorisent ladiversité des espèces.
À partir d'une étude botanique des espèces qui poussaient dans son environnement (fjord), Arrhenius a proposé une relation approximative entre la taille d'une airebiogéographique et le nombre d'espèces qu'elle abrite. Quand l'aire biogéographique donnée grandit en devenant, le nombre d'espèces qu'on y trouve s'élève en devenant, selon la formule suivante :
étant une constante à ajuster, qui augmente quand le nombre d'espèces croît lentement, et diminue quand ce nombre d'espèces augmente rapidement.
Le petit fils d'Arrhenius a proposé une autre formulation :
(pourspecies) représentant le nombre d'espèces, (pourarea) représentant la surface, et étant des constantes à ajuster.
Ces formules ont d'abord été très critiquées par Beumée et Reitz parce qu’apparemment trop simplificatrices, notamment parce qu'elles ne tiennent pas compte de la longueur ou de la nature de l'écotone, ou du facteur d'altitude ou d'autres facteurs liés aux milieux extrêmes supposés avoir de forts impacts sur la diversité biologique ; mais testées sur des espèces végétales, elles se sont montrées prédictives - dans certaines limites - par exemple enSuède,Suisse etFinlande, y compris pour des associations en mosaïque. Plus récemment, elles se sont montrées prédictives du taux d'endémisme des îles malaisiennes (Java,Sulawesi,Sumatra,Bornéo, etNouvelle-Guinée) ; plus ces îles ont une grande superficie, plus le taux d'endémisme y est élevé et plus lestaxons (espèces etfamilles) y sont nombreux, à surface et conditions biogéographiques équivalentes. Dans ce cas, l'addition de données sur lapluviométrie dans les modèles n'a pas modifié cette relation[10]. Sachant qu'à surface cartographiée équivalente, uneîle - ou une aire donnée - à fort relief équivaut à une surface bioproductive réelle bien plus grande qu'une île ou zone qui serait plate, des calculs plus complexes peuvent être faits sur lesécotones (fractales) et la surface développée de milieux par exemple sous-marins (unrécif corallien, leplateau continental rocheux ou sableux), mais on admet aujourd'hui qu'il existe une relation entre surface réelle d'un milieu et diversité des espèces qui l'habitent.
Alors que ses théories commencent à être acceptées, Arrhenius, très éclectique, s'intéresse à d'autres champs de savoir.Il se passionne pour lagéologie et lepaléoclimat, et en particulier l'origine despériodes glaciaires.
Engéophysique, il soutient en1900 l'hypothèse de Ritter qui en1878 estime que la Terre est constituée d’un noyau gazeux entouré d’une croûte dure (hypothèse reprise par Gunther en 1884 avant d'être contredite par les progrès de lasismologie)[12].
Enphysiologie, il constate que nombre de réactions observées au sein d'organismes vivants (in vivo) suivent les mêmes lois que dans les éprouvettes (in vitro).
L'immunochimie l'attire fortement en 1904, il émet l'hypothèse que laloi d'action de masse s'applique à la réaction spécifiquetoxine/antitoxine. Le lauréat Nobel voyage aux États-Unis et prononce à l'université de Californie un cycle de conférences décrivant l'application des méthodes dechimie physique à l'étude des toxines et antitoxines, publiées en 1907 sous le titreImmunochemistry.
Il soutient que la vie pourrait avoir été transportée de planète à planète via le transport dans l'espace interplanétaire de spores poussées par les radiations, théorie aujourd'hui connue sous le nom depanspermie, qui a connu d'autres développements avec l'exobiologie.
Il songe enfin à un langage universel et pour le créer propose une modification de la langue anglaise.
À la fin de sa vie, il écrit des manuels scolaires et des livres de vulgarisation, en tentant de mettre l'accent sur la nécessité de poursuivre les travaux sur les sujets auxquels il a travaillé.
Tombe de la famille Arrhenius à Uppsala.
En, il tombe malade (une attaque de catarrhe intestinal aigu) et meurt le. Il est enterré à Uppsala.
↑Ces modifications de propriétés sont parfois connues depuis un siècle. i) L'effet d'osmose, connu par l'abbéNollet en 1784, est étudié par le botanistePfeffer en 1877. ii) La pression de vapeur est une donnée mesurée expérimentalement, qui est prise en compte en chimie industrielle au cours du siècle. iii) L'abaissement du point de fusion ou de congélation a été observé par le physicienCharles Blagden en 1788. iv) l'élévation du point d'ébullition a été répertoriée parVon Babo en 1847.
↑Vincent Deparis,Histoire d’un mystère : l'intérieur de la Terre, Maison des Sciences de l'Homme, Alpes, Grenoble, publié par Benoît Urgelli, 2001 (lire en ligne
↑Alberto Spektorowski et Elisabet Mizrachi, juillet 2004,Eugenics and the Welfare State in Sweden: The Politics of Social Margins and the Idea of a Productive Society,Journal of Contemporary History,vol. 39,p. 333-352,DOI10.1177/0022009404044443
(en)Biographie sur le site de lafondation Nobel (le bandeau sur la page comprend plusieurs liens relatifs à la remise du prix, dont un document rédigé par la personne lauréate — leNobel Lecture — qui détaille ses apports)
Article de 1896 d'Arrhenius sur le CO2 dans l'atmosphère, en ligne et commenté sur le siteBibNum
