Svante August Arrhenius, né le au (près d'Uppsala), et mort le à Stockholm, est un chimiste suédois, pionnier dans de nombreux domaines. Il reçoit le prix Nobel de chimie en 1903.
Il est notamment connu pour avoir formulé en 1889 la loi d'Arrhenius qui décrit la variation de la vitesse d'une réaction chimique en fonction de la température. Il est aussi fréquemment cité comme étant le pionnier de l'étude de l'effet de l'augmentation du dioxyde de carbone dans l'atmosphère sur le climat et sur l'effet de serre.
Biographie 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 été géomètre 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 en 1876 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 fils Olof Vilhelm Arrhenius est devenu un chimiste réputé en Suède. Son petit-fils Gustaf 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.
Carrière universitaire et scientifique 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 chimiste Per Thodor Cleve.
Après cinq ans d’études en physique, mathématiques et chimie à l’université d'Uppsala, il entre en 1881 à l’Institut de physique de l’Académie royale des sciences de Suède, à Stockholm, où il prépare une thèse, sous la direction du physicien . Son sujet d’étude porte sur la conductivité des électrolytes.
En 1883, il publie son mémoire en français de 150 pages intitulé Recherches sur la conductibilité galvanique des électrolytesVoir le texte intégral sur Wikisource.. Ce mémoire divisée en deux parties, d'abord sur la conductibilité des solutions aqueuses extrêmement diluées déterminée au moyen du dépolarisateur (45 électrolytes), puis sur la théorie 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 professeur Per 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 latin non 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 le prix Nobel de chimie de 1903 .
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, comme Rudolf Clausius, Wilhelm Ostwald, et . Ces derniers sont impressionnés par l'audace théorique et félicitent le jeune docteur, à l'inverse des professeurs d’Arrhenius. , 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.
En 1886, E. Edlund obtient pour son ancien élève un voyage d'étude en Europe financé par l'Académie royale des sciences de Suède. Il peut passer quatre années, sous forme de stage post-doctorat d'un an, dans les laboratoires de ceux qui ont soutenu ouvertement sa théorie : auprès d'Ostwald à Riga, de Kohlrausch à Wurtzbourg, de Boltzmann à Graz et de à Amsterdam. En 1887, sa théorie achevée paraît dans la revue Zeitschrift für physikalische Chemie.
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 nommé maître de conférences à la Stockholms 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. Son prix 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 la loi 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 ».
Théorie de la dissociation Ses premiers travaux de recherche portent sur la conductivité des solutions d’électrolytes. Il rédige ses fameuses Recherches 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 en ions, 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 (que Michael 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 de courant 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 (par Peter Debye et Erich 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 la loi de Guldberg et Waage, et les vues de Berthelot 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 propriétés osmotiques, tonométriques, cryoscopiques et ébulliométriquesCes modifications de propriétés sont parfois connues depuis un siècle. i) L'effet d'osmose, connu par l'abbé Nollet en 1784, est étudié par le botaniste Pfeffer 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 physicien Charles Blagden en 1788. iv) l'élévation du point d'ébullition a été répertoriée par Von Babo en 1847..
Elle est d'abord mal reçue par la communauté 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.
Théorie de l'effet de serre Voulant comprendre et expliquer le cycle des glaciations, Svante Arrhenius a élaboré une théorie qui relie l’augmentation du 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 ( qui se dissout dans les gouttelettes formées lorsque la vapeur d'eau se condense). Il a été influencé dans ce travail par d'autres chercheurs, dont Joseph Fourier .
Dans un article intitulé De l'influence de l'acide carbonique dans l'air sur la température au sol, publié en 1896, il estime qu'un doublement du taux de causerait un réchauffement d'environ (soit un peu plus que les prévisions de faites par le GIEC plus de cent ans plus tard, en 2007). Une réduction de moitié du atmosphérique diminuerait quant à elle la température moyenne de la surface du globe de Page évoquant les spéculations d'Arhenius et Calendar sur le climat, American Institute of Physique, AIP. Arrhenius s’attendait à ce que le taux de double, mais au rythme de son temps, c’est-à-dire en environ d’après ses calculs. Au rythme actuel, cela prendra un siècle seulement selon les calculs du GIEC.
Pour calculer les capacités d’absorption du et de la vapeur d'eau, Arrhenius a utilisé les observations de la lune faites dans l’infrarouge par et Samuel Pierpont Langley à l'observatoire Allegheny de Pittsburgh.
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 : (« »), 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 :
où est la concentration de initiale de la période étudiée; est la concentration de à la fin de la période étudiée; est un coefficient d'absorption propre au gaz étudié et représente l’augmentation du forçage radiatif, autrement dit la modification du flux d’énergie chauffant la surface de la Terre, mesurée en watts par mètre carré (). Des dérivations issues de modèles de transfert radiatif atmosphérique ont montré que le coefficient α pour le CO₂ vaut environ 5,35 (± 10 %) W/m² dans l’atmosphère terrestre.