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Tests à la flamme

CollègeChimieRaies et bandes d’émission des ions métalliques dans une flamme de Bunsen ; couleur obtenue à partir du spectre et des fonctions colorimétriques CIE 1931

À propos de cette expérience

Plongez une boucle de fil propre dans un sel métallique, tenez-la dans une flamme chaude et observez la flamme prendre une couleur qui permet d’identifier le métal : rouge cramoisi pour le lithium, jaune pour le sodium, lilas pour le potassium et vert pour le baryum. La chaleur élève les électrons à des niveaux d’énergie supérieurs ; lorsqu’ils retombent, ils émettent une lumière de longueurs d’onde précises. Testez sept sels, observez leur lumière à travers un spectroscope, constatez comment une trace de sodium masque les autres couleurs et comment le verre au cobalt permet de les distinguer, puis identifiez des échantillons inconnus.

Objectifs pédagogiques

  • Réalisez et décrivez un test à la flamme en toute sécurité et dans des conditions équitables.
  • Identifiez Li⁺, Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺ et Cu²⁺ à partir de la couleur de leur flamme.
  • Expliquez les couleurs de flamme par le passage des électrons d’un niveau d’énergie à un autre.
  • Reliez la longueur d’onde d’une raie à l’énergie d’un photon
  • Expliquez pourquoi la contamination par le sodium pose problème et comment le verre bleu cobalt aide à y remédier

Comment l’utiliser

  1. 1Placez chaque sel dans la flamme à tour de rôle et notez la couleur de la flamme dans un tableau.
  2. 2Comparez le lithium et le strontium. Ils se ressemblent. Comment le spectroscope peut-il les différencier ?
  3. 3Choisissez KCl et augmentez la teneur en sodium à 10 %. De quelle couleur la flamme apparaît-elle maintenant ?
  4. 4Activez le verre bleu cobalt. Quelle partie du spectre disparaît, et que pouvez-vous voir à nouveau ?
  5. 5Lisez l’énergie du photon de la raie du sodium. Lequel est le plus énergétique, un photon rouge ou un photon violet ?
  6. 6Passez à l’échantillon mystère et identifiez cinq échantillons d’affilée. Lesquels étaient les plus difficiles ?

Le modèle

Énergie d’un photon de fréquence f et de longueur d’onde λ
Énergie du photon en électronvolts à partir de la longueur d’onde en nanomètres
Un électron qui tombe émet un photon dont l’énergie correspond à la différence d’énergie

Hypothèses

  • Les couleurs du lithium, du sodium et du potassium proviennent de raies atomiques, dont les longueurs d’onde sont issues de la base de données du NIST.
  • Les couleurs du calcium, du strontium, du baryum et du cuivre proviennent principalement de molécules formées dans la flamme, telles que CaOH, SrOH, BaOH et CuCl. Leurs bandes sont représentées avec des centres et des largeurs approximatifs.
  • La luminosité relative au sein d’un même sel est approximative. Les intensités réelles dépendent de la température de la flamme, de la concentration et de l’anion.
  • La couleur de la flamme est calculée à partir du spectre à l’aide des fonctions colorimétriques CIE 1931. Il s’agit donc de la couleur de la lumière, reproduite aussi fidèlement que possible par un écran.
  • Les échantillons mystères proviennent d’un mélange aléatoire prédéfini, de sorte que chaque sel apparaît une fois toutes les sept manches.

À essayer en classe

  1. Q1Un élève observe une flamme jaune pour chaque échantillon. Quelle en est la cause la plus probable et comment faut-il nettoyer le fil ?
  2. Q2Calcule l’énergie d’un photon de la raie du lithium à 670,8 nm, en joules et en électronvolts.
  3. Q3Pourquoi différents métaux produisent-ils des couleurs différentes ?
  4. Q4Pourquoi un test à la flamme ne permet-il pas d’identifier très efficacement les métaux présents dans un mélange ?
  5. Q5Les feux d’artifice utilisent des sels de strontium et de baryum. Quelles couleurs produisent-ils ?

Foire aux questions

Pourquoi la boucle de fil est-elle en nichrome ou en platine ?

Ces métaux sont peu réactifs et ne colorent pas eux-mêmes la flamme. On nettoie la boucle en la plongeant dans de l’acide chlorhydrique concentré et en la chauffant jusqu’à ce que la flamme ne présente plus aucune couleur.

Pourquoi le spectre est-il composé de raies et non d’un arc-en-ciel ?

Les électrons d’un atome ne peuvent avoir que certaines énergies ; seuls certains sauts d’énergie, et donc certaines longueurs d’onde, sont possibles. Un solide chaud, comme le fil incandescent, produit au contraire un spectre continu.

Un test à la flamme suffit-il pour identifier un métal ?

C’est un premier test rapide. Certaines couleurs se ressemblent, comme celles du lithium et du strontium, et le sodium peut en masquer d’autres. Les chimistes confirment le résultat à l’aide d’autres tests ou d’un instrument comme un spectromètre d’émission de flamme ou d’absorption atomique, qui mesure les raies exactes.