Chimiste et physicien écossais né à Bordeaux, où son père était négociant en vins, et mort à Édimbourg. Il étudie à l'université de Glasgow, puis à celle d'Édimbourg où il obtient en 1754 son doctorat en médecine. Après avoir enseigné à partir de 1756 la médecine et la chimie à l'université de Glasgow, il occupe en 1766 la chaire de chimie de l'université d'Édimbourg ; il y poursuivra son enseignement jusqu'à sa mort, tout en pratiquant la médecine.
Son travail de thèse pour le doctorat en médecine, publié en 1756, est considéré comme un classique de la chimie par la qualité du travail expérimental, la clarté et la logique du raisonnement dont Black y fait preuve. Il y étudie certaines réactions de la « magnésie » (en fait le carbonate de magnésium) et de la « pierre calcaire » (le carbonate de calcium). Il montre ainsi que le carbonate de calcium fortement chauffé, même en l'absence d'air, donne un autre solide, la « chaux vive » (l'oxyde de calcium), et un « air » (un gaz) : cet « air » est le même que celui que Black obtient par action d'un acide sur la « pierre calcaire », et redonne celle-ci par réaction avec la « chaux vive ». Pour marquer qu'il se trouvait « fixé » au sein de la « pierre calcaire », Black nomme ce gaz l'« air fixe » (le dioxyde de carbone ou gaz carbonique) et l'identifie avec le gaz rejeté lors de la respiration par son action sur l'eau de chaux. Les expériences que Black a réalisées avec la « magnésie » l'ont conduit à des résultats similaires. Il montre qu'un moineau plongé dans une atmosphère d'« air fixe » meurt rapidement : l'« air fixe » est donc bien différent de l'air atmosphérique.
En étudiant les effets de la chaleur sur le carbonate de calcium, Black a soigneusement mesuré la perte de poids qui en résulte. Il a également mesuré la quantité de carbonate de calcium neutralisée par une quantité donnée d'acide. Cette application de mesures quantitatives à des phénomènes chimiques annonce ce qui deviendra une vingtaine d'années plus tard une des techniques fondamentales de Lavoisier.
En 1762, Black étudie les phénomènes de fusion de la glace et d'ébullition de l'eau ; il observe qu'une certaine quantité de chaleur est absorbée dans chacune de ces transformations de changement d'état physique, mais que ces absorptions de chaleur sont effectuées sans variation de température ; il les nomme « chaleurs latentes » de fusion ou d'ébullition. Il constate par ailleurs que, pour élever d'une même valeur la température de deux masses égales de deux corps différents, il faut mettre en jeu des quantités différentes de chaleur : cette observation le conduisit à la notion de « chaleur spécifique » d'un corps.
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