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Vidéo de question : Détermination de la composition d’un gaz à partir de son spectre d’émission Physique

Une scientifique a une cartouche de gaz contenant un mélange de gaz inconnus. Afin d’identifier les gaz présents dans le mélange gazeux, elle examine le spectre de la lumière visible émise lorsqu’il est chauffé. Ceci est illustré sur la figure. Les spectres d’émission de plusieurs éléments purs et gazeux sont également représentés sur la figure. Parmi ces cinq éléments, lesquels sont présents dans le mélange gazeux?

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Transcription de vidéo

Un scientifique a une cartouche de gaz contenant un mélange de gaz inconnus. Une scientifique a une cartouche de gaz contenant un mélange de gaz inconnus. Afin d’identifier les gaz présents dans le mélange, elle examine le spectre de la lumière visible émise lorsqu’il est chauffé. Ceci est illustré sur la figure. Les spectres d’émission de plusieurs éléments purs et gazeux sont également représentés sur la figure. Parmi ces cinq éléments, lesquels sont présents dans le mélange?

Dans la figure mentionnée dans l’énoncé, nous avons le spectre observé ainsi que les spectres d’émission de l’hydrogène, de l’hélium, de l’oxygène, de l’azote et de l’argon. Nous savons que ce sont des spectres d’émission car ils ont de nombreuses lignes claires séparées par des zones sombres. S’il s’agissait de spectres d’absorption, les lignes seraient exactement aux mêmes endroits, mais les droites seraient sombres et les espaces entre elles seraient colorés. Les lignes seront au même endroit parce que les lignes spectrales sont dues à la transition d’électrons entre les niveaux d’énergie d’un atome ou d’une molécule. Ces transitions se produisent toujours avec la même énergie, qu’elles soient absorbantes ou émettrices.

De plus, comme chaque type d’atome et de molécule a sa propre structure de niveau d’énergie, les spectres d’absorption et d’émission sont uniques à ce type d’atome ou de molécule. Lorsque nous avons un mélange d’atomes ou de molécules, le spectre global sera la combinaison des spectres de chacun des composants individuels, car chaque composant émettra ou absorbera son propre spectre. Il est important de se rappeler que ce n’est vrai que pour un mélange. Mais, par exemple, si nous mélangeons de l’hydrogène et de l’oxygène et qu’ils réagissent pour former de l’eau, l’eau est un nouveau composé et a donc son propre spectre unique qui n’est pas une simple combinaison d’hydrogène et d’oxygène.

Alors, comme les spectres sont uniques et qu’ils se combinent dans un mélange, nous pouvons déterminer si un élément ou une molécule particulière est présent dans un mélange en faisant correspondre un spectre de référence de la substance pure au spectre observé. C’est ce que nous ferons dans ce problème. Nous associerons chacun de nos cinq spectres de référence au spectre que nous observons. Et si toutes les lignes du spectre de référence apparaissent dans le spectre observé et que le spectre de référence n’a pas de lignes supplémentaires qui n’apparaissent pas dans le spectre observé, nous saurons que cet élément est dans notre mélange.

Alors, comme il y a tellement de lignes dans le spectre observé, ce sera un peu difficile de déterminer quelles lignes sont réellement présentes simplement en regardant. Une façon de résoudre ce problème serait de prendre une règle et d’étendre chacune des raies spectrales des spectres de référence jusqu’au spectre observé. Par exemple, à partir de la ligne que nous venons de dessiner, nous pouvons conclure que l’hydrogène n’est pas l’un des éléments de notre mélange car la raie spectrale à 655 nanomètres n’apparaît pas dans le spectre observé. Cependant, si nous faisions cela pour chaque raie spectrale, nous nous retrouverions avec beaucoup de lignes. Et certains de ces spectres ont des groupes de lignes très rapprochés, ce qui rend également ce processus difficile. Nous allons donc plutôt présenter chaque spectre un à la fois directement sous le spectre observé afin que de pouvoir immédiatement et visuellement voir s’ils correspondent.

Voici le spectre d’hydrogène que nous venons d’examiner. Comme nous l’avons vu, la ligne rouge ne correspond pas, et comme nous pouvons le voir maintenant, la ligne turquoise ne correspond pas non plus. Nous pouvons donc conclure en toute sécurité que l’hydrogène n’est pas l’un des éléments de notre mélange. Et il se trouve que si nous regardons de très près, cette ligne bleue et cette ligne violette n’apparaissent pas non plus dans le spectre observé. Cependant, lorsque nous nous regardons l’hélium, nous pouvons voir que toutes les raies du spectre de l’hélium apparaissent dans le spectre observé. En particulier, ce doublet vert distinctif et ces deux doublets violets apparaissent dans les deux spectres, mais c’est aussi le cas pour toutes les autres droites.

Surtout aussi, il n’y a pas de lignes qui apparaissent dans le spectre de l’hélium qui n’apparaissent pas dans le spectre observé. Il y a cependant de nombreuses lignes dans le spectre observé qui n’apparaissent pas dans le spectre de l’hélium. Celles-ci viennent d’autres éléments. Donc, parce que tout le spectre de l’hélium est contenu dans le spectre observé, nous pouvons conclure que l’hélium est l’un des éléments de notre mélange. Il en va de même pour l’oxygène. Il y a des raies dans notre spectre observé qui correspondent à chacune des lignes du spectre de l’oxygène. Donc, parce que le spectre de l’oxygène est complètement contenu dans le spectre observé, nous pouvons conclure en toute sécurité que l’oxygène est l’un des gaz de notre mélange. C’est également vrai pour l’azote.

Comme nous pouvons le voir sur cette image, le spectre de l’azote est complètement contenu dans notre spectre observé. Ces deux grands groupes de lignes sont particulièrement remarquables dans la partie rouge du spectre. Chaque fois que nous voyons de telles caractéristiques dans un spectre observé, il est probable que notre échantillon contienne de l’azote. Enfin, regardons l’argon. Le spectre de référence pour l’argon contient un certain nombre de raies, mais chacune de ces lignes apparaît également dans le spectre observé. Donc, encore une fois, nous constatons que le spectre de l’argon est complètement contenu dans notre spectre observé. L’argon doit donc être l’un des gaz de notre mélange.

Puisque nous avons trouvé les spectres complets pour l’hélium, l’oxygène, l’azote et l’argon dans notre spectre observé, mais que nous n’avons pas trouvé le spectre complet pour l’hydrogène, nous concluons que parmi nos cinq choix, l’hélium, l’oxygène, l’azote et l’argon sont les quatre qui apparaissent dans notre mélange.

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