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Fiche explicative de la leçon : Tests à la flamme Chimie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à identifier les utilisations des tests de flamme et les couleurs produites par les métaux alcalins, les métaux alcalino-terreux et les autres métaux lors d’un test de flamme.

Les feux d’artifice sont un spectacle impressionnant, éclairant le ciel nocturne avec des lumières vives aux couleurs diverses, comme le montre la photo ci-dessous.

Feux d'artifice colorés fête et le ciel de minuit en fond.

Ces couleurs sont émises lorsque la poudre noire dans le feu d’artifice est enflammée. La combustion de la poudre noire fait augmenter la température, et cette température élevée peut exciter certains éléments chimiques et leur faire émettre une lumière colorée.

De nombreux éléments chimiques peuvent également émettre une lumière colorée lorsqu’ils sont chauffés dans une flamme de bec Bunsen. La flamme chaude du bec Bunsen émet généralement une couleur bleu pâle caractéristique, et elle est couramment décrite comme non lumineuse. Une flamme non lumineuse peut prendre diverses couleurs lorsqu’elle entre en contact avec différents types de composés et métaux purs.

Définition : Flamme non lumineuse

Une flamme non lumineuse est une flamme bleu pâle, de température très élevée puisqu’elle est alimentée par des réactions de combustion complètes.

Le chlorure de sodium émet une couleur jaune intense lorsqu’il est chauffé avec une flamme forte de bec Bunsen. Les lampadaires produisent une couleur jaune vif similaire, car ils contiennent également des atomes de sodium. Dans les deux cas, l’énergie thermique de la flamme, ou l’énergie électrique dans le lampadaire, amène les atomes de sodium à émettre une lumière jaune vif. L’émission de lumière à partir de tout élément peut être expliquée en regardant comment les électrons se déplacent entre les niveaux d’énergie discrets dans les atomes.

Lampadaire à vapeur de sodium

Les électrons dans les atomes ne peuvent exister qu’à certains niveaux d’énergie. Les électrons remplissent toujours le niveau d’énergie le plus bas en premier puis, successivement, les autres niveaux d’énergie plus élevés. Lorsque les électrons absorbent des paquets d’énergie discrets, ils peuvent être excités, c’est-à-dire qu’ils passent d’un niveau d’énergie faible à un niveau d’énergie plus élevé.

Les électrons excités ne sont pas stables, et ils retombent presque toujours à un niveau d’énergie inférieur. Cela peut se produire par étapes lorsque des impulsions d’énergie sont émises les unes après les autres, ou cela peut se produire dans un court instant, au cours duquel un photon de haute énergie est émis par l’électron excité.

L’énergie est libérée sous la forme d’un rayonnement électromagnétique lorsque l’électron excité tombe d’un niveau d’énergie élevé à un niveau d’énergie inférieur. La valeur de l’énergie électromagnétique émise peut être calculée avec l’équation suivante:𝐸=𝑣 Dans cette équation, 𝐸 est l’énergie, est la constante de Planck, et 𝑣 est la fréquence de l’onde. L’énergie est habituellement mesurée en joules (J), et la fréquence des ondes est généralement mesurée en hertz (Hz).

On voit que l’énergie du rayonnement électromagnétique émis est proportionnelle à la fréquence des ondes électromagnétiques.

Le spectre électromagnétique est un spectre continu composé de nombreux types de rayonnements électromagnétiques. La lumière visible représente une partie relativement petite du spectre électromagnétique. Les autres parties du spectre sont constituées d’énergie à basse fréquence, telle que les ondes radio, et d’énergie à haute fréquence, telle que les rayons gamma. Le diagramme ci-dessous représente le spectre électromagnétique.

Les éléments chimiques peuvent produire un rayonnement de lumière visible si la différence d’énergie entre deux niveaux d’énergie est égale à l’énergie d’un paquet de rayonnement de lumière visible. Chaque élément a son propre ensemble unique de niveaux d’énergie, et il aura donc tendance à produire ses propres formes uniques de lumière visible. Certains éléments chimiques ont tendance à produire un rayonnement de lumière visible de haute énergie, et d’autres ont tendance à produire un rayonnement de plus faible énergie.

La lumière bleue a une fréquence et une intensité d’énergie plus élevées que la lumière verte. La lumière verte a une fréquence et une intensité d’énergie plus élevées que la lumière rouge. La lumière bleue est produite lorsque des électrons excités se déplacent entre des niveaux d’énergies très différents. La lumière rouge est produite lorsque les électrons se déplacent entre des niveaux d’énergie plus semblables.

Le diagramme des niveaux d’énergie ci-dessous montre la configuration électronique d’un atome de sodium. La configuration électronique du sodium à l’état fondamental est 1s2s2p3s. Les atomes de sodium ont donc un seul électron de valence. Lorsque ces atomes sont chauffés, il y a suffisamment d’énergie pour exciter un électron de la sous-couche 3s vers la sous-couche 3p, comme indiqué sur le diagramme de droite.

Les atomes de sodium chauffés émettent une vive lumière jaune lorsque leurs électrons excités passent de la sous-couche 3p de haute énergie à la sous-couche 3s de plus faible énergie. Cela donne la couleur de flamme caractéristique des atomes de sodium.

Exemple 1: Comprendre quelle propriété atomique est responsable d’un changement de couleur de la flamme

Lorsqu’on place un sel dans la flamme d’un bec Bunsen, la flamme change de couleur. Quelle caractéristique des ions métalliques du sel détermine la couleur de la flamme dans cette expérience?

  1. L’espacement entre les niveaux d’énergie des électrons
  2. L’énergie d’atomisation
  3. La réactivité avec l’oxygène
  4. L’énergie de liaison
  5. L’espacement entre les niveaux d’énergie nucléaire

Réponse

Les atomes de métal contiennent des électrons dans leurs niveaux d’énergie naturels dans des conditions normales. Lorsque l’atome de métal est placé dans une flamme chaude, de l’énergie est fournie aux électrons dans l’atome, et ces électrons sont alors excités, portés à des niveaux d’énergie plus élevés. Lorsque les électrons retrouvent leur niveau d’énergie d’origine, l’énergie peut être libérée sous forme de lumière visible. La couleur produite dépend de l’espacement des niveaux d’énergie concernés. Cela n’a pas grand-chose à voir avec la réactivité du métal concerné. Les atomes de métal ne sont ni brûlés, ni oxydés.

Lorsque ce phénomène se produit, les atomes du sel sont en phase vapeur. La couleur émise par l’atome ne dépend pas de l’énergie d’atomisation de l’atome de métal concerné. L’énergie d’atomisation d’un composé est l’énergie nécessaire pour produire des atomes gazeux à partir d’une mole du composé dans son état standard dans les conditions standard. Cela implique une rupture de la liaison et c’est donc un processus endothermique. Ce changement d’enthalpie est distinct de l’énergie absorbée par les électrons de valence dans les atomes lorsqu’ils sont excités à des niveaux d’énergie plus élevés en phase vapeur. Les énergies de liaison n’interviennent pas non plus, car les atomes de métal ont déjà été atomisés dans la flamme. Les énergies d’atomisation et les forces de liaison sont des changements d’enthalpie qui ne sont pas responsables de la couleur de la flamme.

Étant donné que la couleur de la flamme est un phénomène associé aux électrons de valence dans les atomes, l’énergie du noyau est sans importance.

Nous pouvons utiliser ces assertions pour déterminer que l’option A est la bonne réponse à cette question.

Les tests de flamme sont des tests qualitatifs utilisés pour détecter la présence de métaux à partir de leurs spectres d’émission. Les tests de flamme sont relativement faciles à mettre en place et à effectuer, c’est pourquoi ils sont utilisés par de nombreux chimistes.

Il est important de souligner ici que tous les métaux ne produisent pas des flammes colorées et que les tests de flamme ne peuvent pas être utilisés pour tester la présence de tous les métaux. Certains métaux ne produisent pas de flamme colorée car l’énergie thermique d’un bec Bunsen n’est pas suffisante pour exciter les électrons de ces éléments et libérer ainsi de l’énergie dans le visible.

Définition : Test de flamme

Le test de flamme est un test qualitatif utilisé en chimie pour identifier un métal ou métalloïde à partir de son spectre d’émission.

Pour effectuer un test de flamme, on commence par plonger un fil de nichrome dans une solution d’acide chlorhydrique concentré. Le nichrome est un alliage de nickel et de chrome qui ne réagit pas avec l’acide chlorhydrique. On peut aussi utiliser un fil de platine, un métal très inerte, mais il a tendance à être très coûteux. L’acide chlorhydrique permet de nettoyer le fil, et d’enlever ainsi tout dépôt d’ions métalliques. L’acide chlorhydrique transforme les métaux en sels de chlorure. Les sels de chlorure métalliques sont généralement très volatils, et ils peuvent être vaporisés assez facilement. Le fil est ensuite placé dans une flamme de bec Bunsen chaude, bleu pâle. On ne doit pas utiliser la flamme de sécurité jaune, une flamme lumineuse, pour effectuer un test de flamme.

Définition : Flamme lumineuse

Les flammes lumineuses sont des flammes de couleur jaune qui sont formées lorsque la température d’une flamme est relativement basse, étant alimentée par des réactions de combustion incomplètes.

Ce processus de nettoyage doit être répété jusqu’à ce que le fil ne donne aucune couleur à la flamme du bec Bunsen. Ensuite, on plonge le fil dans une solution du composé métallique. Alternativement, le fil peut être humidifié avec du nouvel acide chlorhydrique pour prélever quelques cristaux solides du composé métallique. On remet alors l’extrémité du fil dans la flamme. Si on observe une couleur dans la flamme, on prend note de cette couleur, puis on nettoie le fil, qui est prêt pour un autre test de flamme. Les couleurs de la flamme peuvent être assez pâles, et elles durent parfois seulement quelques secondes. Il est judicieux d’effectuer le test dans une chambre noire ou un laboratoire sombre.

Il est important de comprendre ici que les couleurs des flammes sont généralement produites par des atomes et non par des ions. Les ions métalliques absorbent généralement les électrons et se transforment en atomes de charge neutre avant d’émettre un rayonnement de lumière visible. La plupart des ions à l’état excité ont tendance à émettre des paquets d’énergie qui ne peuvent pas être vus par l’œil humain. Les ions ont tendance à libérer un type de rayonnement lumineux non visible lorsque leurs électrons excités passent d’un niveau d’énergie élevé à un niveau d’énergie inférieur.

Exemple 2: Expliquer pourquoi on utilise de l’acide chlorhydrique dans un test de flamme

Avant d’analyser un composé à l’aide d’un test de flamme, on le dissout généralement dans de l’acide chlorhydrique. Quelle est la raison principale de préparer l’échantillon de cette manière?

  1. Les sels obtenus sont plus inflammables.
  2. Les ions dans les sels formés produisent des couleurs plus intenses en raison de leur plus grande charge.
  3. Le traitement à l’acide chlorhydrique élimine les impuretés.
  4. Le traitement à l’acide chlorhydrique déplace les anions qui pourraient modifier la couleur de la flamme.
  5. Les sels formés sont plus facilement vaporisés.

Réponse

Lorsqu’on effectue un test de flamme, les ions métalliques de l’échantillon doivent être atomisés dans la flamme chaude du bec Bunsen. Cela est facilité si l’échantillon est transformé en sel de chlorure métallique. Le sel métallique traité avec de l’acide chlorhydrique concentré est transformé en sel de chlorure métallique plus volatil. Cela signifie que les ions sont vaporisés plus facilement.

Lors d’un test de flamme, les sels ne sont pas brûlés, donc l’inflammabilité ne joue pas de rôle ici. La charge d’un ion métallique dans un sel de chlorure métallique reste inchangée par rapport à sa charge dans le sel d’origine dans l’échantillon. L’acide chlorhydrique n’est pas un agent oxydant.

L’acide chlorhydrique, qui permet de nettoyer le fil de nichrome ou de platine, transforme les composés en sels de chlorure solubles, mais il ne retirera pas les impuretés de l’échantillon de sel. Si des impuretés sont présentes, l’échantillon peut être recristallisé pour les éliminer.

La plupart des anions ne produisent pas de flammes colorées. Soit ils contiennent des électrons excitables qui émettent une lumière qui n’est pas dans le domaine visible du spectre électromagnétique, soit l’efficacité d’excitation de ces anions est trop faible. En comparaison aux cations métalliques, cela signifie que la plupart des anions donnent peu ou pas de couleur de flamme.

En utilisant ces assertions, nous pouvons déduire que la réponse correcte est l’option E.

Les métaux alcalins sont des éléments du groupe 1 qui forment la colonne la plus à gauche du tableau périodique. Les atomes de métal alcalin produisent des couleurs de flamme très intéressantes et inhabituelles lorsqu’ils entrent en contact avec une flamme chaude de bec Bunsen. Le schéma ci-dessous illustre les couleurs des flammes de quatre métaux alcalins.

Les atomes de lithium produisent une flamme rouge vif ou pourpre. Les atomes de sodium produisent une flamme de couleur jaune doré. Les atomes de potassium produisent une flamme de couleur lilas, rose ou violet pâle. Les atomes de rubidium produisent une flamme rouge-violet, et les atomes de césium produisent une flamme bleue-violette.

Les métaux du groupe 2, collectivement appelés les métaux alcalino-terreux, peuvent également produire des couleurs de flamme intéressantes lorsqu’ils sont chauffés avec un bec Bunsen. Les couleurs des flammes produites par le calcium, le strontium et le baryum sont représentées dans le schéma ci-dessous.

Les atomes de calcium produisent une flamme de couleur souvent décrite comme du rouge brique, tandis que les atomes de strontium produisent une flamme rouge vif. Les atomes de baryum produisent une flamme de couleur jaune pâle-vert.

On utilise généralement les sels de chlorure des éléments métalliques pour produire des couleurs de flamme car ces sels sont volatils et les ions chlorure ne produisent pas de couleur pouvant interférer avec le test de flamme. Il est plus facile de tester la présence des métaux calcium ou baryum par le biais du chlorure de calcium (CaCl)2 ou du chlorure de baryum (BaCl)2 plutôt que d’autres composés de calcium ou de baryum.

De nombreux autres éléments métalliques peuvent être excités avec une flamme de bec Bunsen pour produire des couleurs de flamme caractéristiques, comme par exemple les atomes de plomb qui donnent une couleur de flamme gris-blanc. Le cuivre est probablement l’exemple le plus intéressant car il produit une flamme d’un vert bien distinct. Les tests de flamme pour ces deux éléments sont illustrés dans l’image ci-dessous.

Exemple 3: Rappeler la couleur produite par un métal alcalin lors d’un test de flamme

Quelle est la meilleure description de la couleur de la flamme produite par les sels de rubidium?

  1. Bleu
  2. Jaune
  3. Rouge-violet
  4. Rouge-orange
  5. Bleu-vert

Réponse

Le rubidium est un métal alcalin, dans le groupe 1 du tableau périodique. Les métaux alcalins produisent tous des flammes colorées lors d’un test de flamme. Le lithium donne une couleur rouge ou pourpre. Le sodium donne une intense couleur jaune à orange. Le potassium donne une couleur violet pâle, lilas ou rose. Le rubidium donne une couleur rouge-violet, et le césium une couleur allant du bleu au violet.

La meilleure description donnée ici pour le rubidium est le rouge-violet.

La réponse correcte est donc C.

Exemple 4: Rappeler la couleur produite par les métaux du bloc s lors d’un test de flamme

Quel métal du bloc s ne produit pas de flamme colorée lors d’un test de flamme?

  1. Calcium
  2. Magnésium
  3. Rubidium
  4. Baryum
  5. Césium

Réponse

Les métaux des groupes 1 et 2 du tableau périodique sont collectivement décrits comme les éléments du bloc s. En effet, leurs électrons de valence occupent une sous-couche s. Dans le groupe 1, le rubidium et le césium donnent respectivement des couleurs de flamme rouge-violet et bleu-violet. Dans le groupe 2, le baryum donne une couleur vert pâle et le calcium donne une couleur rouge brique. Ces couleurs sont causées par des électrons excités qui émettent une lumière visible lorsqu’ils retournent à leur état fondamental dans les atomes.

Le magnésium métallique brûle avec une lumière d’un blanc intense lorsqu’il est chauffé par la flamme d’un bec Bunsen. Cette lumière est produite en raison de la température élevée atteinte par le magnésium métallique en combustion. La réaction chimique entre le magnésium métallique et l’oxygène est une réaction hautement exothermique. De nombreux étudiants pensent, par erreur, qu’ils observent que le magnésium donne une couleur de flamme blanc vif. Ce n’est pas le cas:en fait, les atomes de magnésium dans une flamme n’émettent pas de lumière visible, et aucune couleur de flamme n’est observée.

La bonne réponse est l’option B.

Les tests de flamme ne sont généralement pas utilisés pour analyser des mélanges de composés car les couleurs des flammes de différents éléments peuvent interférer les unes avec les autres. Cela peut être particulièrement déroutant lorsqu’un mélange contient différents types d’éléments métalliques qui donnent des résultats similaires. Les éléments métalliques lithium, calcium et strontium produisent tous une flamme rouge, et il peut être assez difficile de les différencier. Il serait difficile d’essayer de détecter la présence de deux ou trois de ces éléments si nous devions analyser la couleur d’une seule flamme.

Les éléments métalliques baryum et cuivre produisent également des couleurs de flamme similaires. Le baryum et le cuivre produisent tous deux une flamme de couleur verte, bien que le baryum ait tendance à donner des flammes plus pâles qui ne persistent pas très longtemps. Un test de flamme n’est donc pas un test précis pour identifier des éléments métalliques, et d’autres tests qualitatifs peuvent être nécessaires pour confirmer l’identité d’un élément métallique.

Exemple 5: Expliquer les limites d’un test de flamme

Lorsqu’un métal alcalin est dissous dans de l’acide chlorhydrique et analysé à l’aide d’un test de flamme, une flamme d’un orange intense est observée. Pourquoi faudrait-il plus d’informations pour confirmer l’identité du métal dans l’échantillon?

  1. La couleur orange est difficile à différencier de la couleur de la flamme du bec Bunsen.
  2. La couleur orange de la flamme est produite par les ions chlorure.
  3. Le métal alcalin produisant la flamme orange peut être présent en tant que contaminant.
  4. La couleur orange de la flamme est produite par le solvant.
  5. Plusieurs métaux alcalins produisent une flamme orange lors d’un test de flamme.

Réponse

Les métaux alcalins donnent tous des couleurs de flamme caractéristiques lors d’un test de flamme. La flamme du bec Bunsen doit être non lumineuse et avoir une couleur bleu pâle. Cette flamme est produite en laissant l’arrivée d’air du bec Bunsen complètement ouverte. Les couleurs produites par les métaux alcalins sont assez distinctes de la flamme non lumineuse du bec Bunsen. Le lithium donne une couleur rouge ou pourpre. Le sodium donne une intense couleur jaune ou or. Le potassium donne une couleur d’un violet pâle, lilas ou rose. Le rubidium donne une couleur rouge-violet, et le césium donne une couleur allant du bleu au violet. Nous n’aurions aucun problème à différencier ces couleurs de la couleur de la flamme Bunsen.

Le solvant, l’acide chlorhydrique, est choisi de manière à fournir des sels de chlorure volatils. Ni le solvant ni les ions chlorure n’émettent de lumière visible dans la flamme. Ceci est une considération importante car nous ne voulons pas que la couleur de flamme d’intérêt soit masquée par d’autres couleurs.

Le seul métal alcalin qui produit une flamme orange intense est le sodium. Si de petites quantités d’ions sodium sont présentes, que ce soit dans l’échantillon ou sur le fil de platine, la couleur caractéristique de la flamme de sodium est souvent la seule couleur qu’on observe. Cela est également vrai lorsque le sodium est présent en tant que contaminant. La couleur intense jaune doré à orange peut masquer d’autres couleurs produites par d’autres ions métalliques présents. D’autres tests peuvent être nécessaires pour déterminer si d’autres ions métalliques sont présents dans l’échantillon.

L’affirmation correcte est l’option C.

Points clés

  • On peut effectuer des tests de flamme pour identifier les atomes de métaux présents dans un échantillon d’un composé inconnu.
  • On utilise de l’acide chlorhydrique pour nettoyer un fil inerte et former des sels de chlorure métalliques volatiles avant que les échantillons ne soient introduits dans la flamme.
  • Le protocole d’un test de flamme est décrit comme une série d’étapes impliquant un fil métallique.
  • La couleur de la flamme est produite par des électrons excités énergétiquement, qui libèrent de l’énergie sous forme de lumière visible lorsqu’ils reviennent à des niveaux d’énergie inférieurs.
  • On peut identifier l’élément métallique en faisant correspondre la couleur produite dans une flamme de bec Bunsen non lumineuse avec les couleurs produites par des sels métalliques connus.
  • Seuls certains éléments métalliques produisent des couleurs de flamme. La plupart sont des métaux du blocs s, des groupes 1 et 2 du tableau périodique.
  • Il n’est pas possible d’analyser des mélanges de composés en utilisant cette méthode, car les couleurs produites par plusieurs métaux peuvent interférer les unes avec les autres, donnant un résultat trompeur.

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