La couleur de substances chauffées

[invited3c1effa]

Bonjour,

Cette question va sembler très basique pour beaucoup d'entre vous, mais elle me tord l’esprit et je n'arrive pas à trouver une réponse qui me satisfait.
J'ai fait mes recherches sur le sujet, mais les mots et les concepts employé dans l’explication sont trop avancé pour mes connaissances de novice.

Donc voici la question: Comment explique-t-on que différentes substances émettent des couleurs différentes lorsque soumises à la flamme?

Je sais que la flamme va procurer de l'énergie au électrons des substances et ceux-ci vont donc se diriger vers une couche électronique supérieur et être instable. Pour se débarrasser de l'énergie en trop, ils vont alors émettent un rayonnement qui aura une fréquence et donc une couleur.

Mais pourquoi chaque substance a sa propre couleur?

Est-ce que c'est parce que la distance entre le noyau et les couche électroniques est propre à chaque atome, de ce fait, les électrons de différents atomes n’absorbent pas la même quantité d’énergie, et donc ne perdent pas sous forme de lumière la même quantité d’énergie?

J'ai l'impression que je m'embrouille à expliquer ce phénomène alors que la réponse est sous mes yeux.

Merci de m'aider à comprendre!
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[Sethy]

C'est un peu l'idée. C'est comme si chaque élément avait un escalier avec des tailles de marches communes à tous les atomes de cette espèce.

L'électron peut "sauter" d'une marche à l'autre, mais cet escalier est un peu facétieux car l'électron à plus facile de sauter en "diagonale" que d'une marche à la suivante.

A chaque saut possible (de la 1ère à la 4ème marche, de la 3ème à la 8ème, etc) correspond une "couleur bien précise". Mais justement comme seuls certains saut "en diagonal" sont possibles, il n'y a que quelques couleurs bien spécifiques (celles correspondant justement à des "photons" ayant comme énergie la différence d'énergie entre les marches de départs et d'arrivées) qui sortent du lot.

Et c'est pour ça que les ions Sodium sont jaunes quand ils sont excités dans une flamme, ceux du Lithium rouge, le Potassium violet et vert pomme pour le Baryum.

[invited3c1effa]

Que voulez-vous dire par "sauter en diagonal" et pourquoi est-ce que c'est plus facile que de sauter d'une marche à la suivante?

[Sethy]

Le mieux est de regarder le deuxième schéma de cet article.

On y voit représenté les fameuses marches en trait orange, pour 3 éléments : l'Hydrogène, le Sodium et le Mercure (plus complexe).

Mais si on regarde bien les transitions les plus probables on remarque que les flèches sont toutes en diagonal et qu'en plus, elles ne "sautent" jamais que d'une colonne à sa voisine directe (à gauche ou à droite).

Il y a des apparentes exceptions dans le cas du Mercure, mais c'est parce que le graphique est dédoublé pour illustrer un phénomène encore plus complexe (en gros pour l'Hydrogène et le Sodium, on a juste de la fluroescence, alors que dans le cas du Mercure, le graphe illustre la fluroescence et la phosphorescence).

Lien : https://phys.libretexts.org/Bookshel...tra_and_X-rays

[A voir en vidéo sur Futura]

[Opabinia]

Bonjour,

Lorsqu'une substance est injectée dans une flamme, les atomes issus de sa décomposition subissent les chocs thermiques avec les molécules du gaz chaud, et sont portés à des états électroniques excités suite à des collisions inélastiques (I):

A_{(état fondamental)} + M_{(molécule de gaz)} ───> A*_{(état excité)} + M

Ces atomes passent ensuite à un état de moindre énergie par une transition radiative, qui s'accompagne de l'émission d'un photon (II)

A* ───> A + hν

dont l'énergie (W = hν = hc/λ) correspond à la variation d'énergie du système (ΔE = E_ini - E_fin).

L'énergie des atomes est quantifiée, et présente en chacun de leurs états une valeur bien déterminée, de sorte que l'émission de radiations n'est observée qu'à les longueurs d'onde (λ) caractéristiques de l'élément considéré; la relation W = ΔE entraîne en effet:

λ = hc/(E_ini - E_fin) .

L'excitation thermique porte généralement les atomes à plusieurs état excités, et produit un spectre de raies qui permet l'identification de l'élément présent, et même son dosage (spectrométrie de flamme).
Le nombre de raies présentes augmente avec la température de flamme.

L'exemple le plus classique est celui de l'émission de la raie (D) du sodium, dont la coloration jaune s'observe dans une flamme dès qu'on y trouve une trace de l'élément; l'état fondamental des atomes de sodium correspond à la configuration électronique:

1s²2s²2p⁶3s¹3p⁰

et le premier état excité à la configuration:

1s²2s²2p⁶3s⁰3p¹ .

L'émission de la raie D (λ = 589 nm) accompagne le retour de l'électron externe du niveau (3p) au niveau (3s).

[Damien49]

Pas étonnant que les gens aient du mal à comprendre avec des explications aussi absconses.

En terme simple, une flamme c'est du plasma + de l'air chauffé qui émet lui-même un rayonnement de corps noir.

La couleur du plasma dépend des éléments du gaz qui est dans cet état (l'élément dominant du gaz donne la couleur dominante, mais ça peut être mélangé)
La couleur du rayonnement du corps noir dépend de la température du gaz autour du plasma (l'air donc dans le cas d'une flamme)

La couleur des gaz chauffés est donc souvent un mélange de ces 2 notions que ce soit les étoiles, un feu de bois, une flamme de bec bunsen, la foudre. La plupart des gens oublient souvent que le rayonnement de corps noir a aussi lieu avec les gaz. Une flamme n'est pas que du plasma.

La flamme a donc sa propre couleur en fonction du gaz émis par la combustion et de la température de l'air chauffé. Si tu rajoutes une substance dans la flamme tu changes la composition du gaz et donc le plasma n'émet forcément plus la même couleur.

Bref renseigne-toi sur ces 2 notions : "couleur du plasma" et "rayonnement de corps noir", tu comprendras tout.

[Opabinia]

Re-bonjour,

@ LeBismuth
Concernant la demande que tu as exprimée

... Comment explique-t-on que différentes substances émettent des couleurs différentes lorsque soumises à la flamme?
... / ... pourquoi chaque substance a sa propre couleur?

voici deux liens que je te recommande:
https://fr.wikipedia.org/wiki/Test_de_flamme
http://www.ostralo.net/3_animations/...res_abs_em.swf

Tu peux éventuellement consulter les articles suivants:
https://fr.wikipedia.org/wiki/Spectre_d%27%C3%A9mission
https://fr.wikipedia.org/wiki/Raie_spectrale

@ Damien49
Si tu avais toi-même mis en pratique les judicieuses recommandations que tu as exprimées

... Bref renseigne-toi sur ces 2 notions : "couleur du plasma" et "rayonnement de corps noir", tu comprendras tout.

tu aurais pu éviter d'écrire quelques énormités.

1°) Plasma

En terme simple, une flamme c'est du plasma + de l'air chauffé qui émet lui-même un rayonnement de corps noir.

Le plasma est un gaz ionisé, dans lequel la présence de particules chargées (électrons et ions positifs) - donc possédant une grande énergie - confère au fluide une température très élevée, dépassant 10⁴ K:
Typiquement l'énergie d'ionisation d'un corps est de quelques électronvolts. La température nécessaire pour former un plasma est donc celle à partir de laquelle l'énergie thermique, qui peut être estimée par le produit kT, atteint cet ordre de grandeur, c'est-à-dire lorsque kT ≈ 1 eV, soit une température d'environ 11 000 K ...
Or la température atteinte au coeur de la flamme d'un brûleur à gaz reste seulement de l'ordre de 1500 K: on est donc très loin des conditions d'apparition des ions sous l'effet des collisions thermiques, par des dissociations réversibles

M = M⁺ + e^- .

2°) Corps noir

En terme simple, une flamme c'est du plasma + de l'air chauffé qui émet lui-même un rayonnement de corps noir.

Le corps noir absorbe totalement toute radiation électromagnétique incidente, d'où son aspect opaque et sombre
En physique, un corps noir désigne un objet idéal qui absorbe parfaitement toute l'énergie électromagnétique (toute la lumière quelle que soit sa longueur d'onde) qu'il reçoit. Cette absorption se traduit par une agitation thermique qui provoque l'émission d'un rayonnement thermique, dit rayonnement du corps noir ...
Or la flamme du brûleur est transparente, de même que les gaz chauds qui la surmontent: c'est en contradiction flagrante avec l'opacité absolue du corps noir. Et il y a à cela une vérification très simple: une tige métallique chauffée dans la flamme émet une lumière caractéristique, allant du rouge au jaune selon sa température d'équilibre: il s'agit justement du rayonnement thermique du corps noir.
Le métal se comporte comme le corps noir, mais pas le gaz qui l'entoure;

C'est seulement à des températures beaucoup plus élevées (5000 ou 6000 K) qu'un gaz se comporte comme le corps noir. On peut alors observer les spectres d'absorption des éléments présents, sous la forme de raies sombres sur fond brillant.
Voir le rayonnement solaire.

[Damien49]

Re-bonjour,

@ LeBismuth
Concernant la demande que tu as exprimée

voici deux liens que je te recommande:
https://fr.wikipedia.org/wiki/Test_de_flamme
http://www.ostralo.net/3_animations/...res_abs_em.swf

Tu peux éventuellement consulter les articles suivants:
https://fr.wikipedia.org/wiki/Spectre_d%27%C3%A9mission
https://fr.wikipedia.org/wiki/Raie_spectrale

@ Damien49
Si tu avais toi-même mis en pratique les judicieuses recommandations que tu as exprimées

tu aurais pu éviter d'écrire quelques énormités.

1°) Plasma

Le plasma est un gaz ionisé, dans lequel la présence de particules chargées (électrons et ions positifs) - donc possédant une grande énergie - confère au fluide une température très élevée, dépassant 10⁴ K:
Typiquement l'énergie d'ionisation d'un corps est de quelques électronvolts. La température nécessaire pour former un plasma est donc celle à partir de laquelle l'énergie thermique, qui peut être estimée par le produit kT, atteint cet ordre de grandeur, c'est-à-dire lorsque kT ≈ 1 eV, soit une température d'environ 11 000 K ...
Or la température atteinte au coeur de la flamme d'un brûleur à gaz reste seulement de l'ordre de 1500 K: on est donc très loin des conditions d'apparition des ions sous l'effet des collisions thermiques, par des dissociations réversibles

M = M⁺ + e^- .

2°) Corps noir

Le corps noir absorbe totalement toute radiation électromagnétique incidente, d'où son aspect opaque et sombre
En physique, un corps noir désigne un objet idéal qui absorbe parfaitement toute l'énergie électromagnétique (toute la lumière quelle que soit sa longueur d'onde) qu'il reçoit. Cette absorption se traduit par une agitation thermique qui provoque l'émission d'un rayonnement thermique, dit rayonnement du corps noir ...
Or la flamme du brûleur est transparente, de même que les gaz chauds qui la surmontent: c'est en contradiction flagrante avec l'opacité absolue du corps noir. Et il y a à cela une vérification très simple: une tige métallique chauffée dans la flamme émet une lumière caractéristique, allant du rouge au jaune selon sa température d'équilibre: il s'agit justement du rayonnement thermique du corps noir.
Le métal se comporte comme le corps noir, mais pas le gaz qui l'entoure;

C'est seulement à des températures beaucoup plus élevées (5000 ou 6000 K) qu'un gaz se comporte comme le corps noir. On peut alors observer les spectres d'absorption des éléments présents, sous la forme de raies sombres sur fond brillant.
Voir le rayonnement solaire.

Voilà bien une définition très personnelle du plasma. La flamme n'est pas que du plasma, comme je l'ai dit, mais elle répond à la physique des plasmas. Un plasma ne dépend absolument pas que de la température électronique. Il dépend aussi de la densité électronique. Et c'est ces 2 critères qui permettent d'identifier différents types de plasma. Le coeur d'une flamme possède une température faible mais une densité électronique moyenne :



Quant à la définition du rayonnement du corps noir. Effectivement dire que c'est l'air qui rayonne est un abus de langage, j'ai un peu simplifié (c'est plus vrai pour la foudre que je connais mieux car les températures de l'air chauffé autour du canal de plasma y sont infiniment plus élevées). Pour une flamme ce sont les particules de suies qui rayonnent thermiquement et donnent sa couleur si caractéristique. Une flamme de bec bunsen reste transparente pour ces raisons.

[mizambal]

Une flamme de bec bunsen reste transparente pour ces raisons.

hello. On donc m'aurait menti ? On m'a appris à toujours régler la virole de manière à laisser une pointe jaune pour signaler la présence de la flamme. Question de sécurité.

[Damien49]

J'suis pas spécialiste du bec bunsen, mais si j'en crois wikipedia :

- si tu fermes l'arrivée d'air alors la combustion est incomplète. La flamme a une température moins élevée et est plus jaune. Si la combustion est incomplète, donc j'en déduis (de manière empirique) que tu as plus de particules en suspension (+ rayonnement de corps noir visible)
- si tu ouvres l'arrivée d'air alors la combustion est complète. La flamme a une température plus élevée et est plus transparente. Si la combustion est complète, donc j'en déduis (de manière empirique) que tu as moins de particules en suspension (+ plasma visible)

A faire vérifier par les pros du bec bunsen

[mizambal]

Dans le cas du bec bunsen avec flamme jaune, oui ta raison la combustion du butane est incomplète, du coup il y aura production de suie (carbone), CO2, H2O et CO (attention c mortel).
Comme responsable de ce jaune :
- je serais tenter par déjà éliminer l'eau : ça se vaporise et voilà !
- le CO2 étant présent dans l'air, on le sait non-réactif visuellement puisque la flamme du bec bunsen peut rester invisible dans l'air
- Reste le carbone et le CO, mais la suie prédomine probablement car sinon on serait déjà tous mort en cours de chimie, donc ce doit être la réaction de ce corps qui donne la couleur jaune/orange/rougeâtre via le phénomène d'incandescence.
Donc merci, j'ai compris le truc c cool ! (enfin j'espère que le raisonnement est correct ^^)

[Sethy]

(je suis chimiste)

Le bec bunsen se règle surtout en fonction de l'usage qu'on veut en faire.

Imaginons qu'on veuille travailler du verre, l'idéal est de procéder en 4 étapes :
1) flamme réductrice, jaune, t° moyenne le temps de chauffer les pièces.
2) flamme "oxydante", bleue, t° élevée, pour ramollier le verre et procéder à la soudure
3) flamme réductrice, jaune pour refroidir doucement le verre et éliminer les tensions. Mais cela laisse une "suie" noire de carbone
4) passage rapide à la flamme oxydante pour éliminer le dépôt de suie tout en ne réchauffant pas la pièce.

L'idéal étant de passer ensuite la pièce dans un four de recuisson pour réduire encore plus les tensions. Il arrive parfois que la pièce casse lors du recuit, mais c'est tant mieux car elle aurait eu une fragilité dangereuse.