Paul Sabatier – Universitaire régionaliste et chercheur de talent

Paul Sabatier est né à Carcassonne le 5 novembre 1854. Reçu à l’École polytechnique et à l’École normale supérieure, il choisit cette dernière et termine major de l’agrégation de sciences physiques en 1877.

En 1878, il est nommé assistant au Collège de France et, deux ans plus tard, il soutient une thèse de doctorat ès sciences préparée sous la direction de Marcelin Berthelot. La même année il accepte un poste de maître de conférences à Bordeaux où il enseigne la physique. En 1882, il est chargé de cours de physique, puis de chimie à Toulouse où, en 1884, âgé seulement de trente ans, l’âge minimum requis, il est promu professeur dans la chaire de chimie générale.

Élu doyen de la Faculté des sciences en 1905, il occupe ce poste pendant vingt-quatre ans.

Ses travaux scientifiques l’amènent à réaliser la première hydrogénation catalytique des hydrocarbures insaturés et le conduisent à proposer une explication quant au mécanisme de la catalyse. Pour ses découvertes en chimie, Paul Sabatier a reçu de nombreuses récompenses internationales : outre le Prix Nobel de chimie en 1912, il est le premier membre non-résident élu à l’Académie des sciences française en 1913.

Amoureux des arts et très cultivé, pianiste compositeur et peintre, il s’exprima ainsi lors de son discours de réception à l’Académie des jeux floraux : « S’asseoir au milieu des poètes est une aventure quelque peu inattendue pour celui qui n’a coutume de fréquenter que les laboratoires et qui, familier de l’antre de Vulcain, éprouve une timidité bien naturelle à pénétrer dans le palais d’Apollo« .

Armand Lattes

Paul Sabatier – Regionalist academic and talented researcher

Paul Sabatier was born in Carcassonne on 5 November 1854. He passed the Agrégation (diploma) in Physical Sciences at the École Polytechnique and the École Normale Supérieure in 1877, and went on to defend a doctorate in science prepared under the supervision of Marcelin Berthelot. He was a lecturer in Bordeaux, where he taught physics, and then a lecturer in physics and chemistry in Toulouse, where he was promoted  to the chair of general chemistry in 1884. He was elected Dean of the Faculty of Science in 1905.

Paul Sabatier received numerous international awards: in addition to the Nobel Prize in Chemistry in 1912 for his work on catalysis, he was the first non-resident member elected to the French Academy of sciences in 1913.

He was also a highly cultured lover of the arts, a pianist, composer and painter.

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Les innovations universitaires

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Universitaire moderne, Paul Sabatier crée trois écoles d’ingénieurs : l’Institut de chimie en 1906, l’Institut d’électrotechnique et de mécanique appliquée en 1907 et l’Institut agricole en 1909.

Le succès de ces écoles ne s’est pas fait attendre. L’Institut de chimie qui accueillait seulement onze étudiants en 1906, en compte soixante-neuf en 1911.

Trois innovations accompagnent ces créations

LE      DÉCLOISONNEMENT      DE     L’ENSEIGNEMENT

SUPÉRIEUR, en permettant à des élèves non bacheliers d’être admis dans des établissements relevant de l’université.

C’est le cas de Georges Mignonac (1889-1993), qui obtient son diplôme d’ingénieur chimiste en 1909, à vingt ans, major de la promotion.

Non bachelier, professeur d’université à Mulhouse, sans thèse, il forme des dizaines de docteurs avant d’obtenir ce titre lui-même. Ses découvertes en chimie sont majeures, elles ont permis un accès facile aux matières premières du nylon. Cité par Paul Sabatier dans son discours du Prix Nobel, il lui succède à la tête de l’Institut de chimie de Toulouse en 1933.

LA  FORMATION  DES  CADRES  ET  DES TECHNICIENS

avec la création en 1907 du diplôme de conducteur électricien, équivalent de nos jours à celui de technicien supérieur.

En 1927, sont ainsi délivrés vingt-quatre conducteurs de tracteurs et de machines agricoles, treize conducteurs mécaniciens agricoles et seize brevets de conducteurs électriciens

LE DÉVELOPPEMENT DES RELATIONS INTERNATIONALES.

En 1929, les deux tiers des étudiants de l’Institut de chimie sont des étrangers et, grâce à des échanges avec des étudiants américains, les élèves des instituts toulousains peuvent terminer leurs études à Harvard.

Ces créations entraînèrent une concertation prononcée avec les milieux économiques, qui se traduisit dans l’organisation de visites d’usines et la participation d’ingénieurs aux enseignements ; concertation qui fut couronnée, après la guerre 1914-1918, par l’installation à Toulouse, au titre des dommages de guerre, d’une usine de fabrication de nitrates et d’acide nitrique, l’ONIA, devenue plus tard AZF.

Armand Lattes

University innovations

As a modern academic, Paul Sabatier created three engineering schools: the Institut de chimie (Institute of Chemistry) in 1906, the Institut d’Électrotechnique et de Mécanique appliquée (Institute of Electronic Engineering and Applied Mechanics) in 1907 and the Institut Agricole (Institute of Agriculture) in 1909. Three innovations accompany these creations:

THE OPENING UP OF HIGHER EDUCATION, by  allowing students who have not passed the baccalaureate to be admitted to university establishments.

TRAINING  FOR  MANAGERS AND  TECHNICIANS, with the creation in 1907 of a diploma for electricians, equivalent nowadays to a higher technician diploma.

THE DEVELOPMENT OF INTERNATIONAL RELATIONS. By 1929, two-thirds of the students at the Institut de Chimie were from overseas and, thanks to exchanges with American students, students from Toulouse’s institutes were able to complete their studies at Harvard.

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Le prix Nobel

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L’ étude fondamentale de l’hydrogénation catalytique a permis à Paul Sabatier d’expliquer le mécanisme de la catalyse, applicable à toutes sortes de catalyseurs, y compris les ferments biologiques. Dès lors la catalyse est devenue l’une des disciplines scientifiques les plus importantes de la chimie.

DES DÉBUTS EN CHIMIE MINÉRALE

C’est en chimiste « inorganicien » que Paul Sabatier oriente ses recherches. Il travaille à partir de composés associant un métal avec  un  dérivé  du  carbone  (nickel  carbonyle  Ni  (CO)₄  et  fer carbonyle Fe (CO)₅) où la molécule insaturée CO peut encore s’associer chimiquement à d’autres éléments. Il a l’idée de faire la même chose avec d’autres molécules « incomplètes » et propose à Jean-Baptiste Senderens de vérifier cette hypothèse. Celui-ci étudie d’abord les combinaisons des métaux avec les oxydes d’azote obtenant des « métaux-nitrés ».

LA CATALYSE – DE L’OBSERVATION AU PRIX NOBEL

Parmi les composés organiques du carbone insaturés, Paul  Sabatier choisit l’éthylène et l’acétylène. En dirigeant sur le nickel    chauffé    (Ni)    un    mélange    d’éthylène    (C₂H₄)    et d’hydrogène  (H₂),  il  observe  que  l’hydrogénation  en  éthane (C₂H₆) se fait avec un très bon rendement et que le même métal peut servir indéfiniment, agissant ainsi comme un catalyseur. Le procédé   étendu   à   l’acétylène   (C₂H₂)   conduit   aux   mêmes observations. Reste à relever un défi : l’hydrogénation du benzène,   cycle   insaturé   (C₆H₆),   en   cyclohexane   (C₆H₁₂). Réaction qui est réussie en 1901. Convaincu du caractère général de sa découverte, Paul Sabatier énonce en 1901, avec Jean  Baptiste Senderens, le principe de la méthode : « Sur du nickel récemment réduit, maintenu à température convenable (généralement   comprise   entre   150°   et   200°)   on   dirige  les vapeurs de la substance, en même temps qu’un excès d’hydrogène. »

De 1901 à 1920, ce procédé est appliqué à un grand nombre d’exemples accompagnés de nouvelles observations. Ainsi, en 1902, il démontre que le cuivre peut jouer le rôle de catalyseur de polymérisation (le composé insaturé réagit sur lui-même en formant de longues chaines saturées) et peut catalyser la réaction inverse de l’hydrogénation.

En 1927, Paul Sabatier explique l’activité catalytique « […] par la formation, à partir du catalyseur et de l’un des constituants, d’un composé temporaire, produit très vite et réagissant aussitôt en régénérant le catalyseur, qui recommence indéfiniment le même effet. »

Il décrit l’inversion des réactions catalytiques ainsi : « Cette formation sera généralement identique pour les deux réactions inverses […] et, par conséquent, les catalyseurs seront capables d’agir sur ce système en deux sens opposés, selon les conditions où l’on se place. »

Enfin il propose le caractère général de la catalyse, étendue même aux enzymes (ferments modifiant les substances organiques), et appelle les métaux catalyseurs des « ferments minéraux » par analogie avec les ferments biologiques.

Le matin même où il apprend que le Prix Nobel lui avait été attribué, les étudiants de la Faculté des sciences lui font une magnifique ovation.

« Maintenant, leur dit-il, il faudra songer à transporter l’Institut dans un bâtiment plus grand ».

Pour cela il va consacrer une partie du montant du Prix Nobel à l’Institut dont le bâtiment H est le témoin contemporain.

Armand Lattes

The Nobel Prize, Stockholm, 10 December 1912

The fundamental study of catalytic hydrogenation enabled Paul Sabatier to explain the mechanism of catalysis, applicable to all kinds of catalysts, including biological ferments. Since then, catalysis has become one of the most important scientific disciplines in chemistry.

Paul Sabatier chose ethylene and acetylene as unsaturated organic carbon compounds for his research. By directing a mixture of ethylene (C₂H₄) and hydrogen (H₂) onto heated nickel (Ni), he observed that hydrogenation to ethane (C₂H₆) took place with a very good yield and that the same metal could be used indefinitely, thus acting as a catalyst. The process extended to acetylene   (C₂H₂)   and   benzene   (C₆H₆)   leads   to   the   same observations.

L’héritage industriel

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Les développements de l’hydrogénation catalytique font toujours l’objet de travaux au plus haut niveau de la recherche dans ce qu’ils apportent au progrès des connaissances ainsi que dans leurs applications fondamentales et industrielles.

LES ENGRAIS AZOTÉS

L’hydrogénation catalytique de l’azote a permis de préparer l’ammoniac dont l’oxydation donne l’acide nitrique, matières premières de la préparation des engrais azotés obtenus ainsi en grandes quantités. Ce procédé a sauvé l’humanité de la famine. Au titre des dommages de guerre, une usine de fabrication de ces engrais a été installée à Toulouse : l’ONIA (devenue plus tard AZF) à l’origine de son développement industriel.

LA CHIMIE DU PÉTROLE

La pétrochimie, où environ 80 % des opérations sont catalytiques, est le domaine où les développements sont les plus importants. Un brevet de Paul Sabatier rapporte la dégradation (cracking), en présence de fer et de nickel, des fractions lourdes des pétroles (goudrons, bitumes…) transformées en essence et produits divers.

LA PRÉPARATION DE CARBURANTS SYNTHÉTIQUES

Le gaz à l’eau, utilisé un temps comme gaz de ville produit par action de la vapeur d’eau sur du charbon ou du coke incandescent, est dangereux car il contient du monoxyde de carbone et de l’hydrogène. Mais ce mélange est transformé en méthane et eau par catalyse permettant d’augmenter le pouvoir calorifique du gaz et d’éliminer la toxicité due au monoxyde CO. En 1914, la capacité mondiale était, alors, de un million de tonnes par an. Aujourd’hui, cette méthode est utilisée essentiellement pour transformer les matières premières issues des ressources renouvelables.

L’HYDROGÉNATION DES CORPS GRAS

L’hydrogénation des graisses a permis de modifier leurs propriétés physiques pour la fabrication du savon ou des bougies. Par hydrogénation ménagée, on peut obtenir des graisses alimentaires (margarine).

L’ÉCONOMIE DE L’HYDROGÈNE

Dans les hydrogénations catalytiques, l’hydrogène se distribue dans le nickel, en surface, mais aussi en profondeur du solide. Dans la période actuelle où l’économie de l’hydrogène est largement attendue, cette propriété est utilisée pour son stockage.

LA CHIMIE VERTE

Le but de la chimie verte est de concevoir et de développer des produits et des procédés permettant de réduire ou d’éliminer l’utilisation de substances dangereuses. Les réactions catalytiques sont préconisées, en raison de la faible quantité de déchets qui les accompagnent.

LA PROTECTION DE L’ENVIRONNEMENT

La réalisation des pots catalytiques des voitures, étendue à la purification de l’air intérieur, est certainement l’une des applications la plus connue des travaux de Paul Sabatier.

LE CHOCOLAT « SOLUBLE » DARDENNE

Ludovic-Martin Dardenne, pharmacien, avait créé une chocolaterie à Luchon, station thermale fréquentée par Paul Sabatier. Ensemble ils élaborèrent un délicieux chocolat, au goût unique et sans les effets indésirables observés sur la digestion et l’assimilation. Le chocolat, sous brevet Dardenne, où l’on reconnait la contribution de Paul Sabatier dans la phase d’élimination de molécules complexes difficilement assimilables, était né.

LA NASA ET LE « SYSTÈME SABATIER »

Les chercheurs de la NASA utilisent ce qu’ils appellent le

« Système Sabatier », à savoir l’hydrogénation du dioxyde de carbone émis par les astronautes pour obtenir de l’eau : les appareils nécessaires pour réaliser cette réaction étant déjà présents à bord ainsi que l’hydrogène. Le « Système Sabatier » permet d’obtenir 2,5 tonnes d’eau potable par an à partir de la respiration de 6 astronautes.

DE NOMBREUX AUTRES DOMAINES

Les procédés catalytiques sur solides sont très utilisés dans de nombreuses industries : industrie des parfums, des colorants, des produits pharmaceutiques, des détergents, des insecticides, des solvants, et des polymères.

Developments in catalytic hydrogenation are still the subject of work at the highest level of research. The development of catalytic converters for cars, extended to indoor air purification, is certainly one of the best-known applications of Sabatier’s work. Catalytic processes are also widely used in the perfume, dye, pharmaceutical, detergent, insecticide, solvent and polymer industries. Catalytic hydrogenation of nitrogen also makes it possible to prepare nitrogen fertilisers. Over 80% of petrochemical operations are catalytic. Fats are hydrogenated to make soap and candles. In another example, NASA researchers are using hydrogenation of the carbon dioxide released by astronauts to obtain water.

Armand Lattes

Histoire de la chimie à Toulouse

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En 1809, cinq chaires sont créées à la Faculté des sciences de Toulouse dont une chaire de chimie au sein de « l’Académie impériale de Toulouse ». Les premiers titulaires de cette chaire sont Pierre Dispan puis Thomas de Boisgiraud qui doivent se contenter pour tous leurs travaux, des anciens locaux vétustes et insuffisants de l’ancienne école spéciale des sciences de la rue Lakanal.

ÉDOUARD FILHOL (1814-1883)

Titulaire de trois doctorats en pharmacie, chimie et médecine, il est le 3ème responsable de la chaire de chimie entre 1854 et 1883. Il adapte ses recherches aux ressources régionales, ainsi ses premiers travaux concernent la chimie et l’hydrologie, avec des études complètes sur les eaux thermales de la région, des recherches sur le lait, suivies d’études en chimie végétale et celles des cépages de la région. Toxicologue, il s’intéresse à « l’ivraie enivrante » parasite des graines de céréales, à la toxicologie du phosphore, de la strychnine, de l’antimoine et des alcaloïdes. Toutes ces activités sont couronnées par de nombreuses récompenses scientifiques dont son élection à l’Académie de médecine. C’est vers la fin de sa vie qu’il remarque un élève, Jean-Baptiste Senderens, à qui il confit des recherches sur le soufre. Paul Sabatier, successeur immédiat d’Edouard Filhol, intégrera J-B Senderens dans son équipe et lui permettra de poursuivre ces travaux. Scientifique mais aussi homme politique, Edouard Filhol occupe le poste de maire de Toulouse de 1857 à 1870.

JEAN-BAPTISTE SENDERENS (1856-1937)

À la fois prêtre catholique et scientifique, il est directeur de l’École supérieure des sciences de l’Institut catholique de 1883 à 1927. Docteur en philosophie (Rome 1888), il soutient en 1892, une thèse de doctorat ès sciences « sur l’action du Soufre sur les oxydes et les sels en présence de l’eau ». Après sa thèse, Paul Sabatier l’associe aux travaux sur l’hydrogénation catalytique qui vont le conduire au prix Nobel de Chimie 1912, mais auquel J-B Senderens n’est pas associé. Autonome dès 1906, il poursuit ses propres recherches en relation avec les Etablissements Poulenc Frères. Il dirige pendant la guerre le laboratoire de catalyse appliquée à la fabrication des produits de guerre, plus particulièrement des gaz asphyxiants. Chanoine honoraire du chapitre cathédral de Tarbes, son activité d’apologétique est orientée dans l’étude des relations « Foi et Sciences ». En 1922, il est élu membre correspondant de l’Académie des sciences.

JOSEPH CATHALA (1892-1969)

Il soutient en 1927 une thèse de docteur ès sciences

« Contribution à l’étude des réactions photochimiques des halogènes ». Il est nommé ensuite dans la chaire de chimie inorganique à l’Université Laval de Québec jusqu’au mois d’octobre 1930 où il revient à la Faculté des Sciences de Toulouse comme chargé de cours. Il est le successeur direct de Paul Sabatier dans la chaire de chimie générale en 1932 et introduit à Toulouse le génie chimique en relation avec l’industrie électrochimique pyrénéenne. Le 21 juin 1940 il rejoint Londres. Ingénieur du génie chimique aux Poudreries royales britanniques, le général de Gaulle le nomme « Commissaire national à la justice et à l’instruction publique de la France

Libre ». Après la guerre, à Toulouse, il se consacre au développement du génie chimique avec la création en 1948, du diplôme d’ingénieur de génie chimique, et de l’Institut du génie chimique (IGC) en 1953, devenu ENSIGC en 1970. Vice- Président de « l’Institute of Chemical Engineers » en 1959, il est maintenu dans ses fonctions au-delà de la limite d’âge « pour services rendus dans la Résistance ». Ancien combattant de la guerre 1914-1918, il a par ailleurs été intoxiqué aux gaz asphyxiants.

FERNAND GALLAIS (1908-2002)

Titulaire d’un doctorat en pharmacie et docteur ès sciences, est chef de laboratoire à la Faculté de médecine de Paris de 1933 à 1943. Maître de conférences à la Faculté des sciences de Toulouse, il succède à Paul Sabatier dans son enseignement de chimie minérale. Professeur, en 1951 il prend la direction de l’Institut de chimie transformé en École nationale supérieure de chimie (ENSCT) en 1953. Il devient directeur adjoint du secteur sciences de la nature du CNRS en 1965, puis directeur scientifique chargé de la chimie et la biomédecine en 1966. Membre de l’Académie des sciences en 1973, il préside la Société chimique de France de 1978 à 1980. D’une série importante de travaux de recherche théoriques et de mesures de susceptibilités magnétiques, il en déduit une méthode générale d’étude de la liaison chimique. Il met en place une unité de recherche qui donne naissance en 1974, au prestigieux Laboratoire de chimie de coordination, laboratoire du CNRS, dont il assure jusqu’en 1978, la mise en place, la direction et l’animation.

In 1809, five chairs were created at the Toulouse Faculty of Science, including a chair of chemistry at the « Académie Impériale de Toulouse ». The first holders of this chair were Pierre Dispan and then Thomas De Boisgiraud. Edouard Filhol (1814-1883), who held doctorates in pharmacy, chemistry and medicine, was the 3rd person to hold the chair between 1854 and 1883. Jean-Baptiste Senderens (1856-1937), a Catholic priest and scientist with a doctorate in philosophy and then chemistry in 1892, was associated with Paul Sabatier’s work on catalytic hydrogenation. He was director of the Ecole Supérieure des Sciences at the Institut Catholique from 1883 to 1927.    Joseph Cathala (1892-1969), who was awarded a doctorate in science in 1927, was Paul Sabatier’s direct successor for the chair of General Chemistry in 1932. He introduced chemical engineering to Toulouse in connection with the Pyrenean electrochemical industry and created the Institut du Génie Chimique (Institute of Chemical Engineering) in 1953. Fernand Gallais (1908-2002), Doctor of Pharmacy and Doctor of Science, lecturer and then professor at the Toulouse Faculty of Science, succeeded Paul Sabatier teaching inorganic chemistry. In 1951, he became director of the Institut de Chimie and set up a research unit which led to the creation of the Laboratoire de Chimie de Coordination, a CNRS laboratory, in 1947.

Armand Lattes