Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire les réactions photochimiques et leur rôle dans des processus tels que le développement photographique, la photosynthèse et la formation et destruction de l'ozone.
Une réaction photochimique est une réaction déclenchée par l’énergie lumineuse. Des réactions photochimiques peuvent se produire dans une grande variété de contextes. De la même façon qu’une réaction de combustion peut être déclenchée par une flamme ou une étincelle, une réaction photochimique peut être déclenchée par la lumière du soleil ou un laser. De nombreuses réactions photochimiques se produisent dans la vie quotidienne.
Définition : Réaction photochimique
Une réaction photochimique est une réaction chimique déclenchée par l’absorption d’énergie lumineuse.
Avant l’invention des appareils photo numériques, toutes les photos était faites avec des produits chimiques photosensibles sur des pellicules aux revêtements spéciaux. La pellicule photo était revêtue d’une fine couche de bromure d’argent solide (). Au moment où on prenait la photo, la pellicule était exposée à la lumière qui traversait l’objectif pendant une fraction de seconde.
Au moment où la lumière touche la pellicule, elle décompose le bromure d’argent en argent solide et en brome liquide. Une plus grande quantité d’argent se forme dans les régions plus exposées à la lumière. Une fois que les photos sont développées, ce qu’on voit est la différence entre les régions transparentes de bromure d’argent et les régions sombres et opaques d’argent solide. Cette différence de visibilité permet aux photographes d’imprimer des photos qui reproduisent le motif lumineux initialement introduit dans l’appareil photo.
La réaction photochimique qui se produit ici est une réaction de décomposition. Le composé bromure d’argent se décompose en éléments argent et brome. Cette réaction est d’ailleurs une réaction rédox.
Dans une demi-réaction, les ions d’argent sont réduits :
Dans l’autre demi-réaction, les ions bromure sont oxydés :
Dans la réaction complète, le bromure d’argent se décompose :
La formation d’argent solide lors de cette réaction, ou une réaction similaire, est le fondement de la photographie argentique en noir et blanc qui remonte à 1839.
Exemple 1: Identifier l’équation chimique d’une réaction de décomposition photochimique
Dans la photographie sur pellicule en noir et blanc, la lumière entraîne la décomposition de quantités infimes de bromure d’argent sur le film photographique. Quelle est l’équation chimique de cette réaction, en incluant les symboles d’état physique ?
Réponse
Cette question nous demande de choisir l’équation chimique qui décrit la décomposition du bromure d’argent. Pour répondre à cette question, nous devons connaître la formule chimique du bromure d’argent ainsi que les formules chimiques et les états physiques des produits.
Premièrement, nous pouvons déterminer la formule chimique du bromure d’argent. Sous forme d’halogène, le brome forme des ions de charge . L’argent peut former des ions de charge ou , mais l’ion de charge est beaucoup plus courant. Le composé ionique qui se forme à partir des ions argent et des ions bromure aura un ion de chaque, afin de maintenir une charge totale neutre. La formule chimique du bromure d’argent est donc . Les choix B, C et D donnent la formule correcte de bromure d’argent.
Ensuite, nous pouvons déterminer en quoi le bromure d’argent se décompose. Nous savons qu’il ne peut se décomposer qu’en argent et en brome, mais dans quel état physique se trouvent l’argent et le brome ? Comme la plupart des métaux, l’argent forme un solide à température ambiante, il s’agit donc de . En tant qu’halogène, le brome forme probablement une molécule diatomique de formule . Le brome est un liquide à température ambiante et il a donc la formule chimique .
L’équation chimique de ce processus a donc en tant que réactif et et en tant que produits. L’équation équilibrée est écrite ci-dessous :
En regardant les réponses proposées, seul le choix B donne la combinaison correcte du bromure d’argent , de l’argent solide et du brome diatomique liquide. La bonne réponse est donc le choix B.
Exemple 2: Identifier l’oxydation et la réduction dans la décomposition photochimique du bromure d’argent
La réaction de décomposition photochimique du bromure d’argent est un exemple de réaction d’oxydoréduction. Quels ions sont réduits et quels ions sont oxydés au cours de la réaction ?
- Les ions sont réduits et les ions sont oxydés.
- Les ions sont réduits et les ions sont réduits.
- Les ions sont oxydés et les ions sont réduits.
- Les ions sont oxydés et les ions sont réduits.
- Les ions sont réduits et les ions sont oxydés.
Réponse
Cette question nous demande de déterminer quels ions sont oxydés et lesquels sont réduits lors de la décomposition du bromure d’argent. Au cours de cette réaction, le composé de bromure d’argent se décompose pour donner les formes élémentaires de ses atomes constitutifs, l’argent solide et le brome liquide.
L’équation chimique de cette réaction est la suivante :
Le composé ionique bromure d’argent est composé d’ions argent de charge et d’ions bromure de charge . Dans cette réaction, l’argent et le brome démarrent sous forme d’ions et finissent sous forme d’atomes neutres.
Pour que devienne , il doit gagner un électron, et donc être réduit. Pour que devienne neutre, il doit perdre un électron, et donc être oxydé.
La bonne réponse est le choix E : les ions sont réduits et les ions sont oxydés.
Un autre exemple de réaction photochimique est la formation de smog photochimique. Le smog photochimique est une brume brune qui se forme principalement dans les villes densément peuplées où le climat est chaud. Les principaux polluants qui causent le smog photochimique sont les oxydes d’azote et . Ces polluants sont principalement produits par les voitures et les centrales à charbon.
Lorsque ces molécules sont libérées dans l’atmosphère à des concentrations élevées, la lumière ultraviolette du soleil peut déclencher des réactions qui forment des polluants encore plus nocifs, tels que l’acide nitrique. Le smog photochimique peut avoir un impact négatif sur la santé respiratoire des habitants d’une ville.
Deux des principales réactions photochimiques qui contribuent au smog photochimique sont la décomposition du dioxyde d’azote () et la formation d’ozone dans les basses couches de l’atmosphère ().
Le dioxyde d’azote absorbe l’énergie lumineuse et se décompose en monoxyde d’azote et oxygène monoatomique, selon l’équation chimique suivante :
Le monoxyde d’azote et l’atome d’oxygène produits dans cette réaction peuvent se combiner avec de nombreux composés dans l’air et ainsi produire une variété de polluants.
Des réactions photochimiques dans l’atmosphère peuvent également produire un gaz hydroxy réactif (). Le dioxyde d’azote peut alors réagir avec le gaz hydroxy pour produire de l’acide nitrique.
Le gaz hydroxy peut également réagir avec le dioxyde de soufre et finir par conduire à la formation d’acide sulfurique.
C’est la présence d’acides nitrique et sulfurique dans l’atmosphère qui provoque les pluies acides. Les pluies acides forment un problème environnemental majeur pouvant endommager les bâtiments et nuire aux plantes et à la faune aquatique.
À la lumière du soleil, un atome d’oxygène peut se combiner avec une molécule d’oxygène pour former de l’ozone :
L’ozone forme une couche de protection utile au-dessus de notre atmosphère, mais lorsqu’il se trouve au niveau du sol, il peut être nocif pour les systèmes respiratoires des êtres vivants.
Le smog photochimique est un danger qui doit être géré en limitant la libération de réactifs pouvant provoquer la formation du smog.
Exemple 3: Identifier l’oxydation et la réduction dans une réaction photochimique
Lors de la formation du smog photochimique, le dioxyde d’azote peut absorber la lumière et subir la réaction suivante :
L’azote est-il oxydé ou réduit au cours de cette réaction ?
- Oxydé
- Ni l’un ni l’autre
- Réduit
Réponse
Cette question nous demande de déterminer si l’azote est oxydé ou réduit au cours de cette réaction photochimique. Une définition importante à retenir est que la réduction implique le gain d’électrons, tandis que l’oxydation implique la perte d’électrons.
Pour nous aider à déterminer si l’azote est oxydé ou réduit, nous pouvons regarder si son nombre d’oxydation augmente ou diminue. Une règle importante pour déterminer les nombres d’oxydation, c’est que le nombre d’oxydation de l’oxygène dans les oxydes simples est de . Une autre règle importante est que le nombre d’oxydation d’un composé neutre est nul. Compte tenu de ces deux règles, nous pouvons calculer le nombre d’oxydation de l’azote dans le réactif dioxyde d’azote et dans le produit oxyde d’azote.
Dans le dioxyde d’azote (), les deux atomes d’oxygène ont un nombre d’oxydation combiné de . Pour que le nombre d’oxydation du composé global soit zéro, l’atome d’azote doit avoir un nombre d’oxydation égal à .
Dans l’oxyde d’azote (), l’atome d’oxygène a un nombre d’oxydation égal à . Pour que le nombre d’oxydation du composé global soit zéro, l’atome d’azote doit avoir un nombre d’oxydation égal à .
Le nombre d’oxydation de l’azote va donc de à au cours de cette réaction. L’ajout d’électrons diminue le nombre d’oxydation, donc l’azote doit gagner des électrons. Un gain d’électrons correspond à une réduction, donc l’azote est ici réduit. Le choix C est la bonne réponse.
Les réactions photochimiques sont importantes dans la production et la décomposition de l’ozone qui aide à nous protéger des rayons ultraviolets. L’ozone () se forme lorsque des molécules se divisent photochimiquement en atomes d’oxygène individuels, qui peuvent ensuite réagir avec pour former l’ozone. Les molécules d’ozone ainsi créées peuvent aussi être décomposées par la lumière du soleil. Sans la couche protectrice d’ozone dans l’atmosphère, la Terre serait exposée à une plus grande intensité de rayonnement ultraviolet provenant du soleil, pouvant endommager l’ADN par des processus photochimiques et potentiellement causer des cancers de la peau.
La formation et la destruction des molécules d’ozone se déroulent comme suit. La lumière ultraviolette du soleil peut diviser une molécule d’oxygène en atomes individuels :
Les atomes d’oxygène sont très réactifs et peuvent se combiner avec des molécules d’oxygène pour former l’ozone :
La lumière du soleil peut également déclencher la réaction inverse et décomposer les molécules d’ozone :
La production et la décomposition de l’ozone forment ce qu’on appelle le « cycle ozone-oxygène ». Environ 400 millions de tonnes d’ozone, soit environ de la couche d’ozone sont décomposés et régénérés chaque jour par le biais de réactions photochimiques.
Exemple 4: Identifier l’équation chimique de la décomposition photochimique de l’ozone
Dans le cycle ozone-oxygène, les molécules d’ozone () absorbent la lumière ultraviolette pour se diviser en oxygène diatomique et en oxygène monoatomique. Quelle est l’équation chimique de cette réaction ?
Réponse
Cette question nous demande de trouver l’équation chimique qui représente la décomposition photochimique de l’ozone telle que décrite. La réponse correcte représentera les molécules d’ozone se divisant en oxygène diatomique et en oxygène monoatomique.
Pour répondre à cette question, nous devons connaître les formules chimiques des substances impliquées. La formule chimique de l’ozone est , la formule chimique de l’oxygène diatomique est , et la formule chimique de l’oxygène monoatomique est .
Seuls les choix D et E incluent ces trois substances. Le choix E inclut inutilement une molécule d’ozone supplémentaire de chaque côté de l’équation. L’équation chimique du choix D représente une molécule d’ozone qui se décompose en une molécule d’oxygène diatomique et un atome d’oxygène. La bonne réponse est donc le choix D.
Un exemple très important et bien connu de réaction photochimique, c’est la photosynthèse. Les plantes utilisent la photosynthèse pour transformer l’eau et le dioxyde de carbone, à l’aide de la lumière du soleil, en oxygène et en sucre (glucose), comme le montre la réaction suivante :
Le produit chimique photosensible dans les plantes est appelé chlorophylle. La chlorophylle absorbe la lumière rouge et bleue, mais réfléchit la lumière verte, donnant aux feuilles leur couleur verte. La chlorophylle est extrêmement importante chez les plantes, car la lumière qu’elle absorbe est essentielle à la photosynthèse.
Démonstration : Montrer l’effet de la lumière sur la vitesse de réaction de la photosynthèse
Étapes
- Placez une plante aquatique, telle que le potamot, dans un bécher contenant une solution diluée d’hydrogénocarbonate de sodium.
- Placez un entonnoir, puis un tube à essai au-dessus du potamot.
- Placez la lampe à une certaine distance du bécher et allumez-la.
- Comptez le nombre de bulles produites par le potamot en une minute.
- Répétez l’expérience, mais cette fois avec la lampe placée plus près ou plus loin du potamot.
Observation
Le nombre de bulles produites par minute augmente lorsque la lampe est rapprochée du potamot.
Explication
L’équation chimique de la photosynthèse est représentée ci-dessous :
Les bulles observées au cours de l’expérience sont des bulles d’oxygène gazeux produites par la réaction de photosynthèse.
L’hydrogénocarbonate de sodium se décompose pour produire le dioxyde de carbone nécessaire à la réaction, et l’eau est également présente dans la solution. Lorsque la lampe est rapprochée du potamot, l’intensité de la lumière qui l’atteint augmente. L’augmentation de l’intensité lumineuse augmente la vitesse de la photosynthèse, entraînant la production de plus d’oxygène gazeux et, par conséquent, on observe plus de bulles.
Conclusions
- Plus la lampe est placée près du potamot, plus la vitesse de la photosynthèse est élevée et plus de bulles sont produites.
- La vitesse d’une réaction photochimique peut être augmentée en augmentant l’intensité de la lumière.
Exemple 5: Identifier les réactifs et les produits de la photosynthèse dans une expérience
Un montage expérimental pour mesurer l’effet de l’intensité lumineuse sur la photosynthèse est illustré ci-dessous.
- Quel gaz permet d’expliquer la formation de bulles ?
- Azote
- Méthane
- Oxygène
- Dioxyde de carbone
- Hydrogène
- Pourquoi faut-il une solution diluée d’hydrogénocarbonate de sodium ?
- Pour que l’eau garde un pH neutre
- Pour qu’il se décompose en formant du dioxyde de carbone, dont les plantes ont besoin pour la photosynthèse
- Pour donner au potamot du sodium pour l’aider à pousser
- Pour qu’il se décompose en formant de l’oxygène, dont les plantes ont besoin pour la photosynthèse
- Pour fournir du glucose, dont les plantes ont besoin pour la photosynthèse
Réponse
Partie 1
Cette question nous demande d’identifier le gaz responsable des bulles illustrées sur la figure. La question indique également que la plante est en train d’effectuer de la photosynthèse. Autrement dit, cette question nous demande d’identifier le produit gazeux de la photosynthèse.
L’équation chimique de la photosynthèse est la suivante.
Le produit gazeux de cette équation est l’oxygène. Le potamot absorbe la lumière provenant de la lampe et l’utilise dans la photosynthèse pour produire du glucose et de l’oxygène.
La bonne réponse est donc C, l’oxygène.
Partie 2
Cette partie de la question nous demande d’identifier le rôle de la solution d’hydrogénocarbonate de sodium (). Comme plusieurs réponses se réfèrent à ce « dont les plantes ont besoin pour la photosynthèse », regardons l’équation chimique de la photosynthèse.
Les trois éléments nécessaires à la réaction sont le dioxyde de carbone, l’eau et la lumière. Sur cette figure, nous pouvons voir que la lampe fournit de la lumière et que le récipient contient de l’eau. D’où vient le ? La réponse, c’est qu’il vient de la décomposition de l’hydrogénocarbonate de sodium. Lorsqu’il se décompose, il forme du carbonate de sodium, de l’eau et du dioxyde de carbone :
La réponse correcte est donc B, il se décompose pour former du dioxyde de carbone. Pour être plus précis, vérifions que les réponses restantes sont incorrectes.
Les choix D et E affirment que les plantes ont besoin d’oxygène et de glucose pour la photosynthèse, mais l’oxygène et le glucose sont les produits de la photosynthèse, pas les réactifs. Les choix D et E sont incorrects.
Le choix C affirme que le sodium est nécessaire pour aider la plante à pousser. Cependant, les plantes peuvent faire de la photosynthèse en l’absence d’additifs de croissance.
Le choix A affirme que l’hydrogénocarbonate de sodium maintiendra la solution à un pH neutre. Cependant, les plantes peuvent pousser dans toute une gamme de pH. Bien que les plantes ne poussent pas bien aux pH extrêmes, il n’est pas nécessaire d’avoir une solution parfaitement neutre. De plus, l’hydrogénocarbonate de sodium forme une solution basique lorsqu’il se dissout dans l’eau. Le choix A est incorrect.
Points Clés
- Les réactions photochimiques sont des réactions chimiques qui ont besoin d’énergie lumineuse pour se produire.
- La décomposition photochimique du bromure d’argent pour former de l’argent solide est une réaction clé dans la photographie argentique.
- Les polluants atmosphériques peuvent entraîner des réactions photochimiques et ainsi former un smog photochimique nocif.
- La couche d’ozone qui protège notre atmosphère contre les rayonnements nocifs est constamment régénérée par la formation et décomposition photochimiques de l’ozone.
- La photosynthèse est peut-être la réaction photochimique la plus connue. Lors de la photosynthèse, les plantes absorbent le dioxyde de carbone, l’eau et la lumière du soleil pour former du sucre et de l’oxygène.
- L’intensité de la lumière a une influence sur la vitesse de réaction.
